中锰高强塑性钢组织性能及奥氏体稳定性研究

摘要

近年来，节能、环保和提高安全性是促进发展先进汽车用高强钢的驱动力。相变诱发塑性（Transformation Induced Plasticity，TRIP）钢因为具有优良的成型性及高强度和高塑性的良好配合，已成为一种新兴先进汽车用钢。许多研究发现中锰钢(Mn含量为4～12％)的强塑积大于30GPa·％，是比较理想的第三代汽车用钢。TRIP钢中的TRIP效应取决于奥氏体的体积分数和稳定性，而钢的力学性能主要受TRIP效应的影响。因此，可以通过合金设计、优化热处理工艺和加工手段，使中锰TRIP钢中奥氏体达到较高的体积分数和合适的稳定性，同时提高钢材的强度和塑性。 为了进一步研究合金元素对TRIP钢组织演变和力学性能的影响，本文设计了不同成分的中锰TRIP钢。主要研究Fe-6/8.5Mn-1.5/3Al-0.2C中锰TRIP钢的组织性能、奥氏体稳定性的影响因素及奥氏体稳定性与TRIP效应的关系。此外，还研究不同应变量下的预拉伸对屈服点延伸的影响，及预拉伸后的组织演变和力学性能。主要的研究内容和结果如下: (1)6Mn-1.5Al热轧实验钢经Q&T（quenching and tempering）热处理后奥氏体体积分数最高可达到57.1％;当淬火温度在630℃时，抗拉强度为1082MPa，伸长率最高为39.2％，强塑积可达到42.4GPa·％;而经ART(austenite reverted transformation)热处理后最多只可获得34.0％的奥氏体，当奥氏体化温度为800℃时，抗拉强度为945MPa，伸长率为28.0％，强塑积则为26.5GPa·％。与ART相比，Q&T热处理能使所研究的热轧实验钢获得更优的力学性能。与热轧实验钢相比，冷轧实验钢组织中的奥氏体和铁素体晶粒尺寸均减小，组织更加细化，力学性能得到改善。与其它相近成分的中锰钢相比，本实验钢的力学性能更佳，热处理工艺更加简便易操作。 (2)ART使奥氏体中Mn元素过多的富集，导致奥氏体过于稳定而减弱了TRIP效应，同时长时间退火还降低了组织中的位错密度，削弱了应变硬化能力;而Q&T短时间退火后，Mn元素并未过于富集在奥氏体中，使得奥氏体有合适的稳定性以诱发较强的TRIP效应。此外，Q&T热处理后的实验钢中具有更高的奥氏体体积分数，所以其TRIP效应更为明显，且Q&T较短时间退火后组织中的位错密度较高，提高了其应变硬化能力。 (3)在中锰TRIP钢中增加Mn元素可以提高奥氏体的体积分数，促进TRIP效应的发生，提高加工硬化率，从而得到更佳的力学性能，且Mn元素的增加使奥氏体形态更加多样化。而Al元素的增加能促进δ铁素体的产生，提高实验钢的伸长率。且增加实验钢中Al元素会使奥氏体形态更加均匀，但也会降低实验钢中的奥氏体体积分数，减弱TRIP效应，降低实验钢的加工硬化率，从而降低实验钢的抗拉强度和强塑积。 (4)晶粒长度不一的条状奥氏体具有不等的稳定性。条状奥氏体长度越短，其中富集的C元素浓度越高，Mn元素浓度越均匀，其稳定性越高;与块状奥氏体相比，条状奥氏体中由于富集了更多的C和Mn元素，从而更加稳定;从粒状、条状到块状奥氏体，其稳定性是递减的。 (5)在TRIP钢中，屈服点延伸的产生是TRIP效应和位错滑移共同作用的结果。预拉伸后残余奥氏体的平均晶粒尺寸减小，提高了残余奥氏体的稳定性，从而延迟了TRIP效应的进一步发生，推迟屈服点延伸的出现;预拉伸后铁素体中位错密度升高，提高了加工硬化率，使屈服点延伸提前结束。因此，随着预拉伸应变量的增加，屈服点延伸对应应变持续缩短。经10％预拉伸后，残余奥氏体的稳定性显著提高，铁素体中位错密度显著增加，屈服点延伸消失。 (6)预拉伸提高了相变马氏体体积分数和铁素体中位错密度，从而提高了屈服强度;预拉伸后试样抗拉强度的提高是因为相变马氏体的增加;预拉伸后奥氏体体积分数减少且稳定性较高，从而减弱了TRIP效应。同时，位错密度的增加阻碍了位错滑移，以及相变马氏体的增加都会降低预拉伸后试样的伸长率。10％预拉伸后，实验钢具有合适的屈强比(0.79)。