应力对超细高强贝氏体钢相变和组织影响研究

发布时间：2020-09-04 17:32

　　超细高强贝氏体钢是一种同时兼具高强度和良好塑韧性的新一代先进高强钢。近年来,为解决超细高强贝氏体钢相变时间过长的问题,应力/应变对贝氏体相变的影响受到了广泛的关注。目前,应变对贝氏体相变的影响研究比较充分,其影响规律基本上已经探明。但是应力对贝氏体相变的影响研究较少,很多与应力相关的基础理论急需阐明。本论文以一种Fe-C-Mn-Si低成本超细高强贝氏体钢为研究对象,系统地研究应力对贝氏体相变和组织的影响,目的是明确应力作用下贝氏体相变的膨胀分析法,揭示弹性应力、塑性应力、压应力和拉应力对贝氏体相变量、相变动力学、相变塑性、贝氏体形貌、取向和板条尺寸、残余奥氏体形貌和稳定性等影响规律,阐明应力对贝氏体相变的影响机理,建立应力作用下贝氏体相变动力学模型,从而完善应力作用下贝氏体相变理论体系,为加速贝氏体相变,发展材料塑性成形和热处理一体化工程、开发高精度热处理模拟软件提供理论基础。本文采用膨胀分析法研究贝氏体相变行为,采用高温共聚焦显微镜原位观察相变行为,采用SEM、TEM观察组织形貌和尺寸,采用EBSD定量分析贝氏体取向和组织织构,采用XRD测量残余奥氏体含量及其含碳量等,得到以下主要结论:(1)应力作用下贝氏体相变的膨胀分析法与无应力作用下是不同的。对于应力作用下的贝氏体相变,试样单一方向的应变(膨胀量变化百分比)不能定量代表贝氏体相变量,需要用试样的体积应变来研究贝氏体相变量。对于无应力影响的贝氏体相变,试样单一方向的应变可以定量代表贝氏体相变量。(2)弹性应力为贝氏体相变提供额外机械驱动力,从而加速贝氏体相变,增加贝氏体相变量。在较高的奥氏体化温度下,母相奥氏体晶粒尺寸较大,强度较小,应力对贝氏体相变的促进效果更加明显,且应力作用下的相变塑性更大。应力对贝氏体相变的促进效果取决于机械驱动力占总驱动力的比值、母相奥氏体尺寸和强度等。此外,弹性应力减少块状残余奥氏体含量,有利于增加残奥稳定性。TEM定量统计结果表明,由于机械驱动力的作用,弹性应力增加贝氏体板条厚度。EBSD实验表明,由于应力作用下,分配在每个贝氏体变体上的机械驱动力不同,处于有利位向的贝氏体变体被促进,所以弹性应力使贝氏体组织取向趋于一致,产生变体选择。另外,弹性应力作用下贝氏体相变量的增加并没有伴随着残奥含碳量的增加,这与贝氏体相变理论所期望的不符,可能是相变过程中应力阻碍碳原子由贝氏体铁素体向残余奥氏体扩散造成的。(3)奥氏体预变形和应力对贝氏体相变的综合作用并非两者单独作用的简单叠加。尽管单独变形和单独应力均增加贝氏体相变量,但综合变形+应力却不能进一步增加贝氏体相变量。此外,变形和应力相互影响:在相变初期阶段,变形和应力相互增强其对贝氏体相变的促进效果,但随后由于变形产生的位错林阻碍贝氏体长大,变形减弱了应力对贝氏体相变量的促进效果。对于应力作用下的贝氏体相变,变形对贝氏体长大的抑制作用大于其对形核的促进作用。另外,尽管低温下施加小变形加速应力作用下贝氏体相变动力学,但却减少贝氏体相变量,这与变形对无应力贝氏体相变的影响规律是不同的。(4)塑性应力对贝氏体相变的作用是机械驱动力和奥氏体预变形的综合影响。塑性应力增加贝氏体相变量,并显著加速贝氏体相变动力学,且相变温度越低,塑性应力对贝氏体相变的促进作用越明显。此外,EBSD结果表明,塑性应力减少单个奥氏体晶粒中贝氏体变体种类,产生明显变体选择,使贝氏体取向趋于一致,且这一效果在较低的相变温度下更加明显。TEM结果表明,随着塑性应力增加,贝氏体板条厚度增厚,长度变短。另外,塑性应力产生明显的相变塑性,相变塑性的产生符合Magee机制;且相变温度越低,相变塑性越大。(5)随着应力的增加,应力对贝氏体相变量的促进效果先快速线性增加,后缓慢增加,最后降低。存在两个临界应力值,第一个临界应力对应着母相奥氏体的屈服强度,第二个对应着应力的最大促进效果。建立了简单模型来定量描述上述变化规律。此外,本研究首次将塑性应力综合作用中的机械驱动力的作用和变形的作用分离开来,并构建了相应的定量模型。(6)同样大小压应力和拉应力提供的机械驱动力相近,所以它们对贝氏体相变动力学的影响差别不大,两种应力状态下的贝氏体形貌、板条厚度等也没有明显差别。(7)建立了关于应力和相变温度的贝氏体相变动力学新模型。新模型同时考虑了弹性应力和塑性应力对贝氏体相变的影响。模型计算结果与实验结果基本一致,说明模型预测精度较高。在奥氏体屈服强之前,Avrami方程中的动力学参数b随着应力线性增大,超过屈服强度后,其增速越来越快。此外,应力对贝氏体相变动力学的加速效果可以分为三个阶段:在奥氏体屈服强度前,加速效果增加较慢;在奥氏体屈服强度附近时,加速效果出现了跳跃式增加;在奥氏体屈服强度之后,加速效果持续增加,但增速逐渐减慢。
【学位单位】：武汉科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG142.1

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