汽车用TWIP钢凝固特性与组织性能研究

发布时间：2018-11-10 15:30

【摘要】：当前,采用先进高强度钢实现白车身轻量化已成为解决汽车油耗、排放和安全问题的有效途径。新型奥氏体TWIP钢兼具高强度、高塑性和高加工硬化性能,被认为是最具发展潜力的汽车结构用钢。然而,已开发的Fe-Mn-C系TWIP钢合金含量远高于常见钢种,对其成分设计、凝固特性、组织性能和强韧性机制的认识均存在争议或不足,在某种程度上阻碍了TWIP钢在汽车工业中的应用进程。针对Fe-Mn-C系高合金TWIP的成分设计问题,在系统分析已报道层错能计算模型特征的基础上,讨论了采用双亚点阵法预测Fe-Mn-C系奥氏体钢γ→ε相变行为的合理性与可行性；基于双亚点阵模型对Fe-Mn和Fe-Mn-C系合金γ→ε相变过程中的自由能变化进行了热力学分析,并考虑了由于铃木效应引起的间隙原子偏聚对体系层错能的影响；根据文献中的实验数据对模型预测结果进行了验证,并绘制了Mn含量为10～30wt%、C含量为0-1.2wt%范围内合金的等层错能曲线；在预测变形机制基础上设计了7种Fe-Mn-C系奥氏体TWIP钢的化学成分。基于ThermoCalc软件计算的Fe-Mn-C系三元相图分析了TWIP钢在室温下获得单一奥氏体的可能性；采用JmatPro6.0软件计算了不同成分TWIP钢的固、液相线温度,并通过连续冷却实验对预测结果进行了修正；利用激光热导仪测定了TWIP钢固相导热系数,并与304和J4不锈钢以及Q235普碳钢的实验值进行了对比；采用DIL402C热膨胀仪测定了TWIP钢的热变形行为,揭示了TWIP钢热膨胀特性与常见钢种的差异；通过铸锭低倍实验分析了Fe-22Mn-0.7C TWIP钢铸态晶粒形貌特征及演变规律,讨论了疏松、缩孔和偏析等凝固缺陷倾向；应用EPMA技术分析了TWIP铸锭中溶质元素在枝晶尺度上的分布特征,揭示了Mn和C元素在显微偏析时的相互作用,为深入认识多元合金凝固组织中成分不均匀性的形成机制提供实验参考。在同时考虑凝固传热、流动和溶质扩散基础上建立了多元、多场、多尺度凝固组织预测的CAFE数值模型；根据Fe-22Mn-0.7C TWIP钢的低倍分析结果对预测的疏松、缩孔、宏观偏析和晶粒形貌及分布特征进行了验证,并对传热、流动和溶质扩散对Fe-22Mn-0.7C TWIP钢凝固组织的影响进行了系统分析；揭示了TWIP钢凝固时柱状晶与等轴晶界面的微观组织特征,提出采用晶粒统计学数据直观量化CET过程并通过线性拟合确定CET位置的数学方法。基于已开发的数值模型分析了TWIP钢化学成分与铸锭凝固组织及均质性的定量关系,建立了基于多元、多场、多尺度凝固数值模拟设计TWIP钢成分的新策略。采用中频真空感应炉熔炼了Fe-0.7Mn-0.1C、Fe-22Mn-0.1C和Fe-22Mn-0.7C三种试验钢,应用Gleeble-1500热力模拟实验机测试了不同成分Fe-Mn-C钢的热拉伸行为,对比了TWIP钢、304、J4和Q235铸态试样静态拉伸时的变形抗力；根据试样的断面收缩率结果表征了各钢种在750～1300℃之间的热塑性,通过分析化学成分、相组分、层错能和断口晶粒形貌特征探讨了影响Fe-Mn-C系TWIP钢铸态高温拉伸性能的关键因素,揭示了高Mn合金化时不同C含量TWIP钢试样静态拉伸时断面收缩率的分布规律及影响机制；根据不同应变速率和晶粒尺寸下TWIP钢拉伸性能的测试结果,讨论了采用常规连铸设备生产Fe-Mn-C系TWIP钢的可行性；通过对比不同浇铸方式的工艺特征预测了TWIP钢生产中可能出现的质量问题。根据单轴静态拉伸试验结果分析了Fe-Mn-C系TWIP钢退火试样的应力应变行为和加工硬化特征,讨论了孪晶强化和动态应变时效对TWIP钢力学性能的影响；基于7种TWIP钢工程应力应变曲线锯齿状波动数据拟合了PLC带移动速度、周期与形变量的数学关系；通过OM、SEM和XRD技术表征了不同工艺和不同形变量下Fe-Mn-C系TWIP钢的晶粒形貌和相组分,提出基于目标晶粒度优化TWIP钢轧制-退火工艺并进一步改善其强度和塑性的质量控制策略；开发了1030MPa/60%和900MPa/70%两种级别的Fe-22Mn-0.5C TWIP钢,制定了对应的加工控制工艺和目标晶粒度水平；在分析已有实验结果基础上,揭示了影响Fe-Mn-C系TWIP钢拉伸行为的强／塑性机制。
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【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG142.1

【参考文献】