高强度高塑性低密度钢的组织性能和变形机制研究

发布时间：2018-04-20 15:26

本文选题：轻量化 + 低密度钢　；参考：《东北大学》2015年博士论文

【摘要】：在汽车工业迅速发展的同时,汽车用钢也面临安全、环境、资源、能源及成本等方面的挑战。为解决这一问题,轻量化已成为汽车工业发展的重要趋势。通过向中高锰钢中添加一定比例的铝元素,在合金成分优化与热处理工艺控制的基础上,得到其它钢种不具备的低密度和高强韧性组合的新型汽车钢材,已成为汽车用钢研究的热点。因此,高强度高塑性低密度钢的开发对未来汽车生产将产生重要的影响,有望在未来汽车结构件上得到广泛应用。但是,汽车用高强度高塑性低密度钢的研究才刚起步,尚有很多问题需要解决。本文以高强度高塑性低密度中高锰钢为研究对象,系统研究了高强度高塑性低密度钢在退火和时效过程中的力学性能及其组织演化规律、拉伸变形过程中的微观结构演化及其变形机制和高压扭转变形过程中的组织、性能和变形机制。本文试图通过对这些实验结果的分析和讨论,期望不仅能丰富高强度高塑性低密度钢的塑性变形理论,而且能够揭示高强度高塑性低密度钢力学行为和组织演变的规律,并且为高强度高塑性低密度钢组织和性能的控制、优化提供具有一定参考价值的方法。论文获得的结果如下：(1)通过对两种Al含量(Fe-26Mn-8/10Al-1C,分别简称为8Al和10Al钢)的高锰低密度钢进行不同时间和温度的退火处理,研究了8Al和10Al钢在退火处理过程中组织和力学性能的变化规律。通过对变形试样微观组织进行观察,研究了8Al和10Al钢在拉伸变形过程中的微观组织演化规律,同时研究了8Al和10Al钢的力学行为和变形机制。通过分析对比8Al和10Al钢在拉伸变形过程中微观组织形貌和力学行为,明确了Al含量对高锰低密度钢力学性能和微观组织演化的影响规律。结果表明,随着A1含量的增加,实验钢中位错滑移所需的临界应力增大,导致10Al钢需要更大的应力才能形成位错墙和微带结构,推迟了致密微带结构的形成,也延缓了塑性失稳。变形后期10Al钢的应变硬化率明显高于8Al,抗拉强度和延伸率也都高于8Al钢。(2)通过对8Al和10Al钢进行不同时间的时效处理,研究了8Al和10Al钢在时效处理过程中组织及力学性能随时效时间的变化规律。结果表明,通过短时时效处理,可以大幅度提高8Al和10Al钢的屈服强度和抗拉强度,同时塑性并没有显著降低,从而获得更为优异的高强韧性组合。通过X射线衍射(XRD)、TEM和高分辨透射电子显微镜技术,研究了8Al和10Al钢在时效过程中K-碳化物的形貌和分布规律,以及K-碳化物对高锰低密度钢力学性能和变形机制的影响。结果表明,8Al和10Al钢中存在调幅分解和有序化共存的现象。随着Al含量的增多,K-碳化物尺寸增大,同时其体积分数也增加。通过合理控制K-碳化物析出可以获得良好的综合力学性能。(3)设计了中锰低密度钢(Fe-12Mn-8Al-0.8C,简称为8A112Mn钢),研究了8A112Mn钢在退火和时效处理过程中微观组织及力学性能的变化规律。通过对不同热处理条件下的试样微观组织进行观察并结合应变硬化率与真应变的变化关系,明确了各相比例和分布对8A112Mn钢变形机制和断裂行为的影响。通过TEM观察,研究了8A112Mn钢在单轴拉伸变形过程中的微观组织演化规律,同时研究了8A112Mn钢的力学行为和变形机制。结果表明,在退火处理过程中,合理控制各相配比和分布可以获得优异的综合力学性能。实验钢在900℃退火处理时,获得优异的力学性能,抗拉强度为920MPa,延伸率为46.4%,强塑积达到41952MPa%。在时效处理过程中形成的硬脆的层片状碳化物在变形过程中极大地降低了材料的塑性和应变硬化能力,导致长时间时效后的强度和塑性同步降低。(4)通过对高锰Fe-Mn-Al-C系低密度钢(Fe-26Mn-3Al-1C,简称为3A1钢)进行不同转数的高压扭转变形(High Pressure Torsion, HPT),研究了3A1钢在HPT变形过程中的组织演化及力学性能随扭转剪切应变量的变化规律,分析了3Al钢HPT变形过程中晶粒细化机制和变形机制。结果表明,经过HPT处理后,3A1钢的硬度值显著提高,经HPT变形5转之后的维氏硬度值约为800HV,为变形前的4倍。此外,3A1钢在HPT变形过程中的结构演化特点主要有：(a)生成大量的形变孪晶,孪晶板条之间相互交割,孪晶板条受“S”型剪切带的作用而断裂；(b)在多转数的HPT变形过程中,“S”型剪切带成为重要的变形方式,并且剪切带内部可以演化出非晶结构。
[Abstract]:In this paper , the microstructure evolution of high - strength and high - plasticity low - density steel in the process of annealing and aging has been studied . The results are as follows : ( 1 ) By analyzing the microstructure and mechanical behavior of high - strength and high - plasticity low - density steel in the course of tensile deformation , it is expected that the mechanical behavior and microstructure evolution of high - strength and high - plasticity low - density steel can be obtained . The microstructure and mechanical properties of 8A112Mn steel during aging treatment were investigated by means of X - ray diffraction ( XRD ) , TEM and high resolution transmission electron microscopy . ( 4 ) The microstructure evolution and the mechanical properties of 3A1 steel in the deformation process of high manganese Fe - Mn - Al - C series low density steel ( Fe - 26Mn - 3Al - 1C , abbreviated as 3A1 steel ) were investigated . The mechanism of grain refinement and deformation in the deformation process of 3A1 steel were studied .
( b ) The " S " type shear band is an important deformation process in the process of multi - revolution hpt deformation , and an amorphous structure can be evolved inside the shear band .

【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG142.1

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