氮、铌合金化孪生诱发塑性（TWIP）钢的研究

发布时间：2020-06-13 08:47

【摘要】： 获得高强塑积性能一直是结构材料设计的目标。近年来新开发的含15-25mass%Mn、2-4mass%Si和2-4mass%Al的高Mn钢显示出极高的延伸率(60-95%)和高的强度(600-1100MPa),其优良的力学性能来自于形变过程中的孪生诱发塑性效应(Twinning Induced Plasticity,TWIP效应)或马氏体相变诱发塑性(Transformation Induced Plasticity,TRIP效应)。尽管Mn、Si、Al对TWIP钢的显微组织及其性能的影响已有较多的研究,但对含N和Nb的TWIP钢组织与性能的研究尚未报道,而且对TWIP效应和TRIP效应的机制尚未充分揭示。本文设计了几种不同N、Al含量的TWIP钢和含Nb新型TWIP钢,通过力学性能测试,结合光学显微镜(OM)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等表征技术,探讨N、Al、Nb等合金元素对TWIP钢层错几率(与层错能成反比)、力学性能的影响,并对TWIP钢中的TWIP效应机制、马氏体相变方式及εhcp马氏体的形成机制进行了较为系统的研究,获得以下主要研究结果。对不同N、Al含量TWIP钢层错几率进行了测定,并在不同温度下进行了力学性能测试。研究结果表明合金元素N、Al均可提高TWIP钢的层错能,抑制马氏体相变,促进TWIP效应。不同化学成分TWIP钢XRD图谱的分析结果显示,含N新型TWIP钢在形变过程中能够强烈抑制α马氏体相变,这是由于合金在由FCC结构的奥氏体或HCP结构的ε马氏体向BCC结构α马氏体相变时,其最大间隙由0.1044nm降低至0.0733nm,存在于间隙位置的N显著增大α马氏体切变阻力,抑制了α马氏体相变。不同的温度下含Nb新型TWIP钢力学性能测试、层错几率测定结果表明,TWIP钢中加入铌以后可显著降低层错几率,提高钢的层错能,有利于形变孪晶和TWIP效应的产生,因而具有优良的塑性。对含Nb新型TWIP钢的微观结构表征显示,铌的加入显著降低奥氏体晶粒的尺寸,通过细晶强化增加了钢的强度。合金元素Nb的细晶强化作用以及提高层错能改善塑性的优点导致含Nb新型TWIP钢具有优异的综合力学性能,其强塑积最高达到70000MPa%比无Nb的传统TWIP钢的强塑积高出20000 MPa%;在0至-30℃低温使用范围内平均强塑积高达56150.5MPa%,明显高于化学成分相近的无Nb TWIP钢(44729MPa%)。在层错的TEM观测过程中,发现在局部高密度层错区的某些电子衍射斑点存在定向的位移现象,并建立了FCC晶体中衍射斑点位移与层错几率的关系和层错几率的测定方法。基于电子衍射法测定局部区域层错几率的实验结果,提出了应变诱发ε马氏体相变的机制,即形变为全位错分解提供了能量,因而形变过程中产生了大量的不全位错和层错,而不全位错附近的应力场将更加有利于其他全位错的产生及其分解,从而促进局域层错密度的进一步增加,随后层错由无规到有规的排列,导致γfcc→εhcp马氏体相变的发生。当层错几率α=1时,形成无缺陷的ε马氏体,当α→1时,形成有层错缺陷的ε马氏体。ε、α马氏体的形核和长大均需要消耗大量的层错,致使ε、α马氏体附近的层错数量急剧下降,即层错几率显著下降,从而使TWIP钢相变后由XRD测定的层错几率与层错能不呈现反比关系。不同温度下的力学性能测定和XRD衍射图谱表明,层错能与温度呈正比关系,即温度越低,层错能越低。层错能与温度的密切联系导致材料在不同的温度下表现为不一样的力学性能。在较高温度,材料的层错能也较高,形变过程中有利于孪晶转变,发生TWIP效应;而在较低的温度,形变过程中倾向于发生TRIP效应而提高塑性。层错能不同的钢,其发生TWIP效应和TRIP效应的形变温度不同,随钢的层错能增加,由TWIP效应和TRIP效应所导致的高延伸率峰逐渐向较低的温度偏移。应用晶体学分析方法对FCC结构TWIP钢中的层错、孪晶形态进行了预测,并采用OM、SEM和TEM等微观结构表征方法对层错和孪晶进行实验验证。通过不同形变条件孪晶组态的观察和马氏体相变基本原理,提出了TWIP钢诱发塑性的机制。形成形变孪晶的最高温度(Tf)和热诱发马氏体开始温度(Ms)决定了其主导形变机制是滑移诱发塑性或孪生诱发塑性,还是相变诱发塑性。在Tf温度以上,只有通过滑移实现TWIP钢的塑性;在Tf温度和Ms温度之间,诱发形变孪晶为该温度区间的主导机制,导致显著的TWIP效应;当温度低于Ms,则呈现出显著的TRIP效应。在不同形变速率下的力学性能测试结果显示,TWIP钢的力学性能受形变速率的影响。屈服强度随形变速率的增加,呈缓慢上升的态势;而断裂强度则呈缓慢下降的趋势。断裂延伸率和均匀延伸率则随形变速率的增加先迅速降低然后缓慢地上升。总体上,形变速率对屈服强度、断裂强度的影响远弱于对延伸率的影响。 TWIP钢在不同温度下的力学行为揭示,在较高温度时,钢中的马氏体相变方式仅有两种:γfcc→εhcp,γfcc→εhcp→αbcc;而在较低温度,当钢中的主要形变机制为TRIP效应时,除上面两种马氏体相变方式外,还存在另外一种情况,即γfcc→αbcc,奥氏体可直接转变为α马氏体。TWIP钢由于具有高的延伸率,在形变过程中造成母相FCC结构的γ奥氏体内部形成大量位错并相互缠结,位错的缠结不利于ε马氏体的形成,而直接导致位错型αbcc马氏体。
【图文】：

形变温度,变形量,合金,形变过程

孪晶可在形变温度为-70℃～400℃时的面心立方奥氏体中形成，形率可低达 10-4/s。当 Fe-Mn-Si-Al 系钢锰含量达到 25wt%，铝含量超过 3 wt%，量在 2～3wt%之间时，具有中等的抗拉强度（Rm）（约 600Mpa）和极高的延伸A）（大于 80％），其抗拉强度和延伸率的乘积在 50000 MPa％以上，是高强韧RIP 钢的两倍。该类合金的高强韧性来自形变过程中孪晶的形成而不是 TRIP 钢相变，故命名为孪生诱发塑性（twinning induced plasticity，TWIP）钢。TWIP机械孪晶的形成及其对力学性能的影响改变了我们对孪晶的传统看法，拓宽了对孪生在形变过程中作用的科学认识。TWIP 钢微观组织及其合金元素作用

示意图,应变诱发马氏体相变,应力诱发,机制

. 应力诱发和应变诱发马氏体相变机制示意图以及σsM 温度atic representation of stress-assisted and strain-induced regimeed martensitic transformation and definition of theσsM tempσsM 的经验公式：3.45Xc)-1[A+5712.6-78224Xc-21542XMn+19976 XcXMn+y (0.715+0.3206hmσ / σ)] 元素的摩尔分数，yσ 为屈服应力，hmσ / σ为水静压力与)}]/0vpNvρ，sγ 为马氏体核的比表面能，f 为发生相变的核位置数，，vp为奥氏体颗粒的平均体积，α 为常数，
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TG142.15

【引证文献】