（材料加工工程专业论文）trip钢的应变率相关性变形行为研究.pdf

摘要 本文的目的在于研究两种工业生产的高强度低合金相变诱发塑性( h s l a t r i p ) 钢：o 0 9 lc 1 4 5 6s i 1 0 6 1m n ( 韩国产，以下简称k ) 和0 1 3 4c 1 5 2 5 s i 一1 2 2 6m n ( 宝钢产，以下简称b ) 的动态拉伸性能及其变形行为的应变率相 关性。拉伸试验在气动式间接杆杆型冲击拉伸试验机上进行，残余奥氏体的变 形诱发相变对拉伸性能和变形、断裂行为的影响研究采用l o m 、x r d 、s e m 、 t e m 等分析手段。研究成果可为汽车工业中的轻量化及防冲撞设计提供有效的 数掘和理论指导。 论文主要内容包括： l 、对k 、b 两种t r i p 俐在l o 。4 1 0 3 s 。1 应变率范围的室温拉伸性能进行了 研究。结果显示两种钢的拉仲性能随应变率具有相同的变化趋势：应变率增 加，材料的屈服强度和抗拉强度增大，均匀延伸率显著降低，断裂延伸率有所 下降，两种材料均体现显著的应变率敏感特性。 2 、对铁素体量相当的t r i p 钢和d p 钢在1 0 2 _ 1 0 3 s 。应变率范围的动态拉伸 性能进行了对比研究。结果显示，在所试验的应变率下，两种t r i p 钢的动态 拉伸强度低于d p 钢，延伸率却显著增加，基本证明了残余奥氏体的应变诱发 相变对塑性增长的作用。 3 、借助x r d 分析了贱余奥氏体的转变量随应变和应变率的变化规律，残 余奥氏体的含碳量与其稳定性的关系，以及应变硬化指数1 1 随应变率和应变的 变化规律。研究发现，动态拉伸条件下残余奥氏体的转变量小于准静态拉伸条 件下残余奥氏体的转变量，随着应变增加二者的差值减小。方程y = 1 一e “可用 于表征残余奥氏体转变动力学，其中a 表征残余奥氏体随应变发生转变的速率。 残余奥氏体的含碳量是影响其稳定性的关键因素，含碳量越高的残余奥氏体稳 定性越高。残余奥氏体的应变诱发相变行为显著影响钢的应变硬化能力。 4 、采用s e m 检测了t r i p 钢准静态、动态拉伸断裂试样的颈缩区的变形 组织和微孔洞随应变的演化趋势。确定t 砌p 钢的变形和断裂过程为微孔洞的 形核、长大和聚合。和d p 钢动态拉伸后颈缩区的变形组织和微空洞的对比分 析表明，t r i p 钢中残余奥氏体的渐进式应变诱发相变显著增加了t r i p 钢的微 孔洞临界形成应变，并持续抑制微7 l 洞的生长和微裂纹的形成。 5 、通过t e m 观察了变形前后t r i p 钢中各相组织的形貌特征和铁索体中 的位错量。结果显示，两种t r i p 钢的组织中均存在孤岛状和薄膜状两种形态 的残余奥氏体，在变形断裂后的试样颈缩区仅发现了未转变的薄膜状残余奥氏 体：存在于试样中的贝氏体形态符合前人有关贝氏体形态的描述：马氏体形态 则随着母相残余奥氏体的含碳量的不同而不同。铁素体基体内的位错量随着应 变和应变率的升高而增大，强度则随着位错的增殖而升高。 关键词：相变诱发塑性，残余奥氏体，冲击拉仲，力学性能，应变率，应变 硬化指数，微孔洞，显微硬度，组织形态，位错，断裂 a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o na i m sa tt h es t u d yo nd y n a m i ct e n s i l ep r o p e r t yo ft w oi n d u s t r i a l h i g hs t r e n g t hl o wa l l o yt r i p ( t r a n s f o r m a t i o n - i n d u c e dp l a s t i c i t y ) s t e e l ，o 0 91 c 一14 5 6s i 1 0 6 lm n ( m a d e i n k o r e a ，a b b r e v i a t e d t o k ) a n d0 1 3 4 c 1 5 2 5s i 1 2 2 6 m n ( m a d eb yb a os t e e l ，a b b r e v i a t e dt ob ) ，a sw e l la st h e i rd e f o r m a t i o nb e h a v i o r sa s af o u n c t i o no fs t r a i nr a t e t h et e n s i l et e s t sa r ec a r r i e do u to nt h ep n e u m a t i ci n d i r e c t b a r - b a rt e n s i l e i m p a c tt e s t e r ，t h e i n f l u e n c eo fs t r a i n i n d u c e dr e t a i n e da u s t e n i t e t r a n s f o r m a t i o no nt h et e n s i l ep r o p e r t i e sa n dd e f o r m a t i o na n df r a c t u r eb e h a v i o ro ft h e s t u d i e dt r i ps t e e l sa r ei n v e s t i g a t e du s i n gl o m ，x r d ，s e ma n dt e m t e c h n i q u e s t h ec o n t r i b u t i o no ft h ed i s s e r t a t i o nl i e si np r o v i d i n ge f f e c t i v ed a t aa n dt h e o r e t i c a l b a s i sf o rl i g h t i n gb o d yw e i g h ta n dt h ed e s i g n i n go f a n t i c r a s h i n g t h eh i g h l i g h t so ft h ed i s s e r t a t i o ni n c l u d e ： ( 1 ) t h et e n s i l et e s t sa r ec a r r i e do u to nt w ot r i p a i d e ds t e e l s ，ka n db ，i nt h e s t r a i nr a t er a n g eo f1 0 。4 1 0 3s t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h et e n s i l ep r o p e r t i e so f t h e s et w os t e e l sa tr o o mt e m p e r a t u r ee x h i b i ts i m i l a rt r e n d s ：w i t hi n c r e a s i n gt h es t r a i n r a t e ，t h et e r i s i l es t r e n g t ha n dy i e l ds t r e n g t hi n c r e a s ew h i l et h ee l o n g a t i o ns h a r p l y d e c r e a s e s ，s h o w i n gt h a tt h e s et w ot r i ps t e e l sa r es e n s i t i v et os t r a i n r a t e ( 2 ) c o m p a r e dt h ed y n a m i ct e n s i l ep r o p e r t i e so ft r i ps t e e l sw i t ht h a to fd ps t e e l s w h i c hh a v e t h ee q u i v a l e n tc o n t e n to f f e r r i t e i n t h es t r a i nr a t er a n g eo f l 0 2 1 0 3s i t i ss h o w i n gt h a tt h ed y n a m i ct e n s i l es t r e n g t ho ft r i ps t e e l sa r el o w e rt h a nt h a to fd p s t e e l s ，b u tt h e i re l o n g a t i o na r em u c hh i g h e r , t h u sr e v e a l st h a ts t r a i n i n d u c e dr e t a i n e d a u s t e n i t et r a n s f o r m a t i o nm a k ea c t i v ee f f e c to nt h ep l a s t i ci n c r e a s i n g ( 3 ) t h ec h a n g eo ft r a n s f o r m a t i o nv o l u m ef r a c t i o no fr e t a i n e da u s t e n i t ew i t ha l l i n c r e a s es t r a i na n ds t r a i nr a t e 、t h ee f f e c to ft h ecc o n t e n to fr e t a i n e da u s t e n i t eo ni t s s t a b i l i t y , a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r a i n h a r d e n i n ge x p o n e n ta n ds t r a i na sw e l l a ss t r a i nr a t ea r ei n v e s t i g a t e db yx r dt e c h n i q u e i td i s p l a y st h a tt h et r a n s f o r m e d v o l u m ep e r c e n to fr e t a i n e da u s t e n i t eu n d e rd y n a m i ct e n s i l ei sl e s st h a nt h a ti n q u a s i s t a t i ct e n s i l e ，b u tt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e md e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n go f s t r a i nr a t e t h et r a n s f o r m a t i o no fr e t a i n e da u s t e n i t ed u r i n gd e f o r m a t i o ng r e a t l y a f f e c t st h e w o r k h a r d e n i n gb e h a v i o r o ft r i ps t e e l s t h ef u n c t i o n y = l e “1 r e p r e s e n t st h er e t a i n e da u s t e n i t ek i n e t i c s ，w h e r ea i n d i c a t e st h ev e l o c i t yo fr e t a i n e d a u s t e n i t et r a n s f o r m a t i o n ，w h i c hm a yb ea ne f f e c t i v ef a c t o rt ot h ep r o p e r t i e so ft r i p s t e e l s t h ecc o n t e n to fr e t a i n e da u s t e n i t es t r o n g l ya f f e c t si t ss t a b i l i t y ：t h er e t a i n e d a u s t e n i t ew i t hh i g h e rcc o n t e n ti sm o r es t a b l e ( 4 ) b yc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h ed y n a m i c a l l yd e f o r m e dm i c r o s t r u c t u r e sa n d f r a c t u r es u r f a c e so ft r i ps t e e l sa n dd ps t e e l su n d e rv a r i o u ss t r a i nr a t e s ，i ti sf o u n d t h a tt h ed y n a m i cf r a c t u r eo ft r i ps t e e li st y p i c a ld u c t i l ef r a c t u r ep a t t e r na n di t s d e f o r m a t i o na n df r a c t u r em e c h a n i s m sa r et h ef o r m a t i o n ，g r o w t ha n dc o a l e s c e n c eo f v o i d t h ep r o g r e s s i v es t r a i n - i n d u c e dr e t a i n e da u s t e n i t et r a n s f o r m a t i o nr e m a r k a b l y p o s t p o n e st h em i c r o - v o i df o r m a t i o ni nt r i ps t e e l s ，a n dr e s t r a i n st h eg r o w t ho f m i c r o v o i d s ( 5 ) o b s e r v e dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h em i e r o s t r u c t u r ea n dt h ed i s l o c a t i o np a t t e r ni n t h ef e r r i t em a t r i x o ft r j ps t e e l sb e f o r ea n da f t e rd e f o r m a t i o nt a k i n ga d v a n t a g eo f t e mt e c h n i q u e i ts h o w st h a tt h e r ea r et w ok i n d so fr e t a i n e da u s t e n i t em o r p h o l o g y ， i s o l a t e dr e t a i n e da u s t e n i t ei s l a n d sa n dr e t a i n e da u s t e n i t et h i nf i l m ，i nt h et r a d e f o r m e d t r i ps t e e l s ，b u to n l yt h el a t t e rt y p ei sf o u n di nt h en e c kz o n eo ff r a c t u r es a m p l e ；t h e m o r p h o l o g yo fb a i n i t ee x i s t e di nt r i ps t e e l sc o i n c i d e sw i t ht h ee a r l i e rd e s c r i p t i o n ； a n dt h em o r p h o l o g yo fm a r t e n s i t ec h a n g e sw i t hv a r y i n gt h ecc o n t e n to fp a r e n t r e t a i n e da u s t e n i t e w i t hi n c r e a s i n gt h es t r a i no rs t r a i nr a t e ，t h ed e n s i t yo fd i s l o c a t i o n i nf e r r i t em a t r i xi n c r e a s e s ，t h u st h es t r e n g t hi n c r e a s e s k e yw o r d s ：t r a n s f o r m a t i o n - i n d u c e dp l a s t i c i t y ， m e c h a n i c a l p r o p e r t y , s t r a i nr a t e ，s t r a i n r e t a i n e da u s t e n i t e ，t e n s i l ei m p a c t ， m i c r o h a r d n e s s ，m o r p h o l o g y ，d i s l o c a t i o n ，f r a c t u r e v h a r d e n i n gi n d e x ，m i c r o - v o i d 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 聋整 日期：婴i ：! ：型 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：j 雌导师 日期 筇一币缔论 1 1 前言 第一章绪论 材料的使用和发展一直是标志人类进步的里程碑，是社会发展的物质基础。 历史学家根据材料的使用历程，将人类文明分为若干时期，即石器、青铜器和 铁器时代。没有先进材料不可能有先进的产品。三百年来，人类经历了两次世 界范围的产业革命，每次产业革命的成功都离不开新材料的开发和使用。第一 次产业革命的突破口是应用和推广蒸汽机，瓦特发明了蒸汽机，但只有在开发 了钢铁材料以后，蒸汽机才得以实用和逐步推广。第二次产业革命一直延伸到 上世纪中叶，以石油开发和新能源广泛使用为突破口，大力发展飞机和汽车以 及其它支柱产业，支持这次产业革命的仍然是新材料的开发，如合金铡、铝合 会以及各种非金属材料。 从结构材料角度而言，虽说有金属材料、复合材料、聚合物、陶瓷四分天 下的局面，但从结构件材料要求强度、韧性的结合和选材的六大判据一强度、 韧性、成形性、连接性、抗蚀性及购买能力，或从材料科学与工程的四要素而 言，会属材料仍然具有其不可替代的优越性【lj 。金属材料中，钢铁曾认为是“夕 阳”工业，但冶炼技术的提高及新技术的应用，己经为钢铁工业带来活力。例如， 低合余高强度钢中的微合金化、控轧控冷技术的丌发和应用【2 j 等等，赋予其新 的生命力和更为广阔的市场前景。钢材的另一优越性在于它较低的价格，和按 照十分精确的规格批量生产。所以，钢铁在一般工业用途中占金属材料的8 0 以一l 。 对于汽车： 业的发展来说，2 0 世纪7 0 年代，面对巨大的能源危机，为满 足汽车工业需求而开发了具有良好强度和塑性匹配的双相钢( 铁素体+ 5 2 0 马氏体，可能也含有少量的残余奥氏体) 。在对双相钢的研究中发现，在奥氏体 向马氏体的转变过程中或多或少地会在组织中残留少量未转变的奥氏体，如果 海人学 ! l 。学位论土菊一章绪睑 残留的奥氏体量超过5 ，其变形过程中也会诱发向马氏体的转变，出现一定的 相变诱发塑性现象，即类似于2 0 世纪6 0 年代z a c h a y 等人【3 1 在高n i 奥氏体不 锈铡这类利料中发现的亚稳奥氏体在m 。m d 温度的形变诱导马氏体相变，使 得延仲率和成形性大幅度提高，即相变诱发塑性效应( t r a n s f o r m a t i o n i n d u c e d p l a s t i c i t y 简称t r i p ) 。虽然其中的n i 等高合金含量致使材料成本高、：l ：艺复杂 等局限了其使用，但它的变形诱发奥氏体向马氏体的转变促使材料的塑性增长 的原理仍受到了广泛的关注。 2 0 世纪8 0 年代中期，出现了成分为1 5 s i 1 5 m n 0 2 c 左右的高强度低合金 t r i p 辅助的d p 钢( 以下简称t r i p 钢) ，组织组成相为铁索体+ 贝氏体+ l o 左右的残余奥氏体( t r i p 钢的研究中一般未考虑马氏体的影响) 。该钢种利用 了组织中残余奥氏体在变形过程中诱发向马氏体的转变而获得相变诱发塑性的 特点，显著提高了其综合力学性能，在强度提高的同时具有满足冲压成形需要 的塑性。2 0 0 2 年u l s a b ( 国际超轻量化钢车身协会) 公布的两款概念车型中， 高强度钢占整个白车身重量的7 0 以上，t r i p 钢的使用率超过了4 。足见国 际汽车和钢铁集团对t r i p 钢的认知和重视程度。 经过近2 0 年的发展，国际钢铁集团，包括宝钢，已经批量生产t r i p 钢并 已在汽车工业的一些关键部件上得到应用。 1 2t r i p 效应和s i m n 系t r i p 钢 相变诱发塑性钢最先由z a c k a y 等口】发现并命名。他提出，显微组织中存在 的亚稳奥氏体在应力、应变诱发作用下向马氏体的转变既能显著强化变形合金， 又能改善塑性，大大提高了钢的强韧性。 具体而言，t r i p 效应是指含有室温存在的亚稳奥氏体的钢变形时，位错累 积产生的应变强化不足以弥补随应力增加造成颈缩前，通过应变诱发奥氏体向 马氏体的转变而引入相变强化和塑性增长。奥氏体向马氏体的变形诱发转变一 方而强化了应变区，使得均匀应变区增加，同时微裂纹尖端附近的奥氏体向马 氏体转变松弛了裂纹前端的应力集中，达到钝化裂纹尖端、延缓裂纹扩展的目 的 4 1 。 海入学埘 。学位论文 第市绪论 近二十年来对t r i p 钢从成分、组织获得途径、性能与组织和成分的匹 配等各个方面进行了广泛而深入的研究，基本化学成分一般在0 2 0 4 c ， 】2 2 0 s i ，1 0 - 2 5 m n 范围，同时也致力于含a i ，p 、c u 和降低钢中c 和s i 含量，以及微台金化t r j p 钢的研究和丌发，以获得更卓越的强塑性匹配和表 面性能【) l 。 在t r i p 钢的成分中，c 是对其性能最主要的影响元素。c 在显微组织中的 分配对材料的性能有着重要作用：它应尽可能合理地在奥氏体中富集，以使得 残余奥氏体的m 。温度低于室温，从而获得最佳的力学性能。由于c 含量高会 影响材料的成形性和焊接性能，所以初期研究的t r i p 钢中的c 含量在 o 2 0 - 0 2 5 范围，现在钢中的c 含量己经下降到o 1 左右，即低碳t r i p 钢。 m n 是奥氏体稳定化元素。添加m n 可以减慢珠光体的形成，在贝氏体区稳 定奥氏体1 6 1 。同时，m n 的加入能降低m 。温度，使得残余奥氏体含量增加【7 l 。 但当m n 含量超过2 5 时，导致显微组织的带状化，过分稳定残余奥氏体哆i ， 会对性能产生不利影响。 s i 是铁素体形成元素。s i 不仅有利于铁素体的延展性能，又稳定了过冷奥 氏体；它基本不溶于碳化物中，钢中一定的s i 含量可以有效抑制碳化物形成； 此外它对铁素体母相具有固溶强化的作用，从而促进t r i p 钢强度与塑性的良 好结合_ 】。但是，s i 含量高会导致钢表面氧化皮增厚，这些氧化皮在热轧过程 中容易嵌入表面，而使表面性能变差，形成缺陷；在冷轧和连续退火后，这些 嵌入物还会导致涂镀性能降低。于是，考虑用其它元素，如a i 、p 等，代替 或部分代替s i ，由于s i 强烈抑制渗碳体的形成，所以在t r i p 钢中一般至少保 留o 3 0 8 的s i ，仅有1 左右的s i 用a l 替代【1 1 1 。 a l 和s i 一样，也不溶于渗碳体，a l 的加入，提高了渗碳体的开始形成温 度，显著抑制渗碳体的形成。与s i 不同，a 1 增加了贝氏体转变驱动力，加速贝 氏体的形成。但其缺点在于：导致较低的固溶强化旧；极大提高m 。温度， 也就是说a l 降低了奥氏体的稳定性，使m ；温度以及m 。m f 范围部分移动至室 温以上。 p 和s i 一样都是铁素体彤成元素，并且可有效抑制渗碳体的形成。同时， 海人学f 哦l ：学位论义第一章绪论 p 又是一种非常有效的固溶强化元素，当有少量s i 存在时，p 能够增加残余奥 氏体量i ”i 。只需要加入o 0 5 0 1 的p 就能够获得性能的显著改善。w a n g 1 5 ，1 6 】 等人对f e 0 2 c 1 5 m n 一0 4 s i ( 00 0 8 ) p 系列t r i p 钢的研究表明，当p 加入量超 过o 2 5 ，会对t r i p 钢性能产生不利影响，比如p 容易在亚稳奥氏体内形成 f e 3 p ，磷化物的析出消耗了大量p 原子，从而削弱了其抑制渗碳体形成的能力 和对铁素体的固浴强化作用。 当前t r i p 钢的发展主要集中于强度在5 0 0 8 0 0 m p a 级别的t r i p 钢。为了 获得l g p a 或更高强度级别的t r i p 钢，通过单独或复合加入n b 、y i 、v 等微 合金元素以增加碳化物的弥散强化和固溶强化，从而提高材料强度1 。 1 3t r i p 钢的多相组织及其对准静态拉伸性能的影响 1 3 1 t r i p 钢的生产工艺 t r i p 钢生产工艺主要有两种：两相区退火+ 中温等温淬火( i n t e r c r i t i c a l a n n e a l i n ga n da u s - t e m p e r i n g ) 干 1 形变热处理或热机械处n ( t h e r m o m e c h a n i c a l p r o c e s s i n g ，t m p ) 。 第一种方法主要是针对冷轧t r i p 钢设计的，如图l ，1 。钢在q 1 区亚临界 温度范围( a 。l a 。3 ) 内退火可以得到铁素体和奥氏体，此时奥氏体第一次增c ( 即 奥氏体中含c 量已超过铡的平均含碳量) ；然后快速冷却( 抑止铁素体的形成) 至贝氏体形成温度范围内等温，再冷却到室温。在贝氏体形成区域等温时，奥 氏体部分转变为低碳或无碳贝氏体。在此转变过程中，奥氏体中的碳向未转变 的奥氏体中扩散，使得未转变的奥氏体中的含碳量进一步提高( 此为奥氏体的 第二次增碳) ，从而其m 。点降低至室温盼下，随后的冷却过程中这部分奥氏体 在室温残留，最终得到铁素体十贝氏体+ 残余奥氏体( 和或马氏体) 的混合组织 1 17 1 。 形变热处理工艺是通过热轧过程中的控轧与控冷来实现的。热轧t r i p 钢 中，铁紊体晶粒周围分布着细小的奥氏体、贝氏体、马氏体，且铁素体晶粒要 比冷轧后的大”1 。热轧t r i p 钢板的基本工艺流程为：( a ) 在奥氏体区热轧冷却 海人学坝 。学位论文 鹕一章绪论 通过两相区时控制冷却速度，使析出铁素体( f ) ，再快冷，然后在贝氏体转变区 卷耿。( b ) 在奥氏体区和两相区热轧再快冷，在贝氏体转变温度以上进行卷取。 1 3 2 残余奥氏体的稳定化 幽1 1t r i p 处理工艺简图 表征奥氏体稳定化的主要参数是奥氏体向马氏体转变的温度m 。m 。越低， 奥氏体越稳定。对f e c m n s i 合金中的奥氏体来晚，其m ，温度取决于以f 几 个因素1 1 9 】： 奥氏体颗粒的化学成分( 影响马氏体相变的化学驱动力) ； 奥氏体颗粒的大小( 影响马氏体形核点的概率) ： 应力状态( 归因于相变体积和三向应力之间的相互作用) ： 基体强度( 影响马氏体相变所需总驱动力中的力学驱动力) 。 研究m2 1 1 表明：奥氏体晶粒越大，贝氏体转变区等温形成的贝氏体板条束 越大，在贝氏体板条束间残留的奥氏体晶粒增大，奥氏体稳定性下降，并在随 后的冷却过程中趋向于转变成下贝氏体或马氏体，或者室温时处于亚稳态，檄 易因应力诱发其转变。 h a i d e m e n o p o u l o s 等人的研究i 9 1 证实，m ，温度随着屈服强度和奥氏体颗粒 平均尺寸的增加而升高( 当颗粒增大到一定尺寸，此规律不再存在) ，从而奥氏 体稳定性降低；并且存在与c 、m n 在奥氏体颗粒中的富积相关的强烈的化学稳 定性效应。 海人学f _ ： j 学位论文 第一章绪论 在相同应力状态下，当材料成份一定时，材料的显微组织特征如：晶粒尺 寸、形貌和分布是影响奥氏体稳定性的主要因素。 s u g i m o t o l 2 2 】认为，提高残余奥氏体的稳定性有两种途径。第一，提高残余 奥氏体中c 、s i 等元素的含量；第二，改变残余奥氏体和第- k h 的形态。改变 组织形态可以有效抑制空洞的形成、释放内应力，故而提高残余奥氏体的稳定 性，推迟马氏体相变的发生。其中，残余奥氏体的形态又可分为两大类：分布 在柔软的铁索体母相中的孤岛状残余奥氏体，与其它的硬质相隔离，如贝氏体、 马氏体；呈膜状的残余奥氏体顺贝氏体或马氏体板条存在，或以块状存在于此 类硬质相中。其中第2 类中的膜状残余奥氏体在变形过程中易受到硬质相的阻 碍，其稳定性高于孤岛状的残余奥氏体，且此类奥氏体的平均强度高，接近周 围的硬质相，但塑性较低。 j a c q u e s 等吲则认为，铁素体内的残余奥氏体晶粒与热轧组织中的珠光体晶 粒有关。因此，其化学成分与铁素体晶界处残余奥氏体的化学成分不同。综合 考虑残余奥氏体的尺寸和成分等因素，铁素体晶内的残余奥氏体应更稳定。 这与s u g i m o t o 等人的结论并不矛盾，其原因在于二者对残余奥氏体稳定性 的讨论基于不同的着眼点，即一个是从其周围相承载应力的能力，另一个是从 形成奥氏体的母相( 渗碳体) 对奥氏体碳含量的遗传角度进行分析。因此在讨 论残余奥氏体稳定性时应综合上述两方面的作用，而不能偏废。 另外，通过非再结晶区的形变，在基体组织中引入缺陷亦可改善残余奥氏 体的稳定性，从而影响材料的力学性能。这主要是由于缺陷的引入增加了扩散 型相变动力，延迟了切变型相变。 1 3 3 铁素体 铁素体是在两相区处理时的先共析相。铁素体比贝氏体软，延性较好，容 易吸收因残余奥氏体向马氏体转变引起的体积膨胀，因而对t r i p 效应有较好 的辅助作用。 s a k u m a 等认为t r j p 钢的良好塑性应是残余奥氏体的应变诱发相变和铁 素体基体相共同作用的结果。因而合适的铁索体量及大量的残余奥氏体是使钢 海人学坝l j 学位论文第一章绪论 获得良好塑性的前提条件。如果铁素体量过多，珠光体c 曲线移至更短的时间 或者在等温过程中接近相应的t t t 图中的珠光体c 曲线，从而形成珠光体的机 会增加，残余奥氏体量相应减少：又由于形成珠光体时消耗了c ，从而降低了 贱余奥氏体的稳定性，这些对性能改善是不利的【2 。 h a n z a k i 等人 2 6 】对亚临界退火后冷却的研究表明：冷却速度大于5 0 s 可 以使铁素体量增加，铁素体中碳浓度降低；残余奥氏体量增加，稳定性提高； 屈服强度降低，均匀延伸率和总延伸率提高，但基本不影响抗拉强度，由此获 得强度与塑性的良好配合。同时还指出，在两相区变形对细化铁索体晶粒效果 明显，并且残余奥氏体的体积分数随铁素体晶粒细化而增加。 1 3 4 贝氏体 t r i p 钢中的铁素体和残余奥氏体主要对塑性有影响，而贝氏体主要对强度 有影响。 贝氏体的形态根掘等温温度的不同，主要分为上贝氏体和下贝氏体。碳含 量和合金元素对贝氏体的组织形态有很大影响；而贝氏体等温处理工艺( 温度、 时恻) 也显著改变贝氏体的成分和形态。t r i p 钢室温残余奥氏体的获取主要是 利用贝氏体的不完全转变现象，通过两相区的退火处理，在贝氏体转变区等 温使得过冷奥氏体转变成贝氏体，同时将碳排入奥氏体，使得奥氏体中碳含量 升高，降低奥氏体的m 。温度直至室温下，使之在随后冷却至室温时保留。 大量实验结果证实阻2 1 2 3 2 8 ，2 9 1 ，钢在贝氏体转变区等温加热，碳元素会向 末转变的奥氏体中扩散，使奥氏体表而富c ，从而进一步提高奥氏体中的c 浓 度，阻碍贝氏体铁索体的进一步长大。如果转变温度过高，c 向奥氏体中大量 扩散会使贝氏体铁素体过度长大残余奥氏体量减少，钢的强度降低；转变 温度过低，尽管大部分碳元素固溶于贝氏体中，贝氏体晶粒较小，钢的强度高， 但残余奥氏体体积分数降低，钢的塑性不足。 s u g i m o t o 恻对影向贝氏体强度的因素进行了系统分析，包括贝氏体铁素体 的晶粒尺寸板条或片内位错亚结构，s i 、m n 等置换型元素和c 等间隙元素 的固溶强化以及碳化物的弥散强化。 海人学i 。学位沦文 第一章绪论 1 4 残余奥氏体的应变诱发马氏体相变 在m d 点以下m 。点以上温度，奥氏体在应力和塑性变形作用下会诱发马氏 体相变。过去把应力、应变所形成的马氏体统称为形变诱发马氏体。现在，仍 没有确切的定义。不过，大多数研究者都按马氏体形成前母相奥氏体是否屈服 为划分标准3 2 , 3 3 】，称母相经屈服而形成的马氏体为应变诱发马氏体( s t r a i n i n d u c e dm a r t e n s i t e 简称s i m ) ：母相未经屈服而形成的马氏体为应力协助( 促发) 马氏体( s t r e s sa s s i s t e dm a r t e n s i t e ，简称s a m ) 。这个可以用图1 2 说明。 r e m d e r a t u r c 幽i 2 马氏体转变时临界廊力和温度的关系不恿幽 当冷却到m d 以下m ；以上温度，由于化学驱动力不够，不足以促使残余奥氏 体发生向马氏体的淬火转变，但是在此温度增加应力一即力学驱动力，到足够高 的水平时，在此温度马氏体就会形核，这就是非热形核。原来不加应力时需冷却 到m 。以下才能起作用的形核位置，在应力提高到足够z ：刚i - ，这个温度就能起作 用，这个过程叫做应力协助形核p 。 m 。至m ? 施加应力诱发马氏体形成可称为应力协助相变，自此延伸至o c 均相 当应力协助相变：在t 温度，施加应力至a 。以上将产生范性形变，而在o b 将诱发 马氏体，o b 大大低于6 。( t i 温度时诱发马氏体的临界应力) ，因此推想在哪能诱发 粥一市绪论 马氏体的原因在于母相的范性形变，其诱发的马氏体，一般称应变诱发马氏体i j “。 o l s o n f 1 c o h e n 认为此时由应变诱发马氏体形核口“3 7 1 ，而阡i 村等认为，由于母相形 变，使晶界或孪晶界等处形成应力集中，实际应力己升至巧。，诱发马氏体的形成 【3 8 _ 3 9 l 。前者以形核作为论据，认为形核缺陷( 位错) 由形变提供的，故称应变诱 发；而后者以临界驱动力出发，以热力学计算m 。时仅能汁及应力。 图1 2 中，当应力增加到发生应力仂恸形核时，由于马氏体形成时有形状的 变化，这形状变化有一个大的切变分量，因而发生了屈服。因此，在m 。点以 上温度发生的应力协助形核引起了起始屈服。但这一起始屈服是由相变引起的， 而且所需应力低于奥氏体的流变强度，这种屈服形式称之为相变诱发塑性f 4 。相 变诱发塑性有两部分 3 4 1 ，一部分是由相变本身的切变造成的：另部分是由于较 大的形状变化而在马氏体周围发生的塑性协调造成的。因此，这里有相变本身的 位移加上相变在奥氏体中发生的塑性应变或塑性协调。而在m ! 以上温度时，起 始的屈服是由于奥氏体中的滑移或孪生而不是由相变引起的。然而关于相变诱发 提供的相变诱发塑性量还没有定量关系。 1 5t r i p 钢力学行为的应变率相关性 金属材料在高应变率下的动态力学行为研究，具有重要的理论意义与明显 的工程应用背景。因为不论航空、汽车、兵器、核能等工业中的许多工程课题 都涉及到这个问题，金属成形、装甲侵彻以及疲劳断裂等方面的进展都取决于 材料动态性能的深入了解，在高应变率下的动态力学行为与静态或准静态的性 能及变化规律是否一致，这些问题都需要进行深入、系统的研究。 静态拉伸和动态拉伸主要存在如下不同点【4 i j ： 1 静态加载( 1 0 1 0 - 2 ) 在拉伸过程中可以认为是一个等温过程；动态加 载( 1 0 2 1 0 4 ) 则是一个绝热过程，必然伴随不可逆做功引起的瞬态温升； 2 静载试样只承受单向拉伸应力作用，忽略惯性力的作用；动载常用一维 应力波加载，不能忽略惯性力的影响。 因此，变形速率的改变可能导致相变过程和机理与静载不尽相同；材料的 塑性变形、断裂及与此过程相关的力学性能则会发生显著变化。 第一幸绪论 对于t r i p 钢而言，其出现的背景一方面是由于汽车的轻量化趋势使然， 另一方面汽车制造业的以人为本思想的深入，必须考虑乘员的安全性问题。车 身部件的成形过程的变形速率约在1 0 - i t l o s 。之间，而汽车行驶过程中发生撞击 时的材料的变形速率又处于1 0 2 1 0 s1 范围。因此在研究t r i p 钢的力学性能时 不能只考虑准静态下材料的变形行为，而应从t r i p 钢的应用背景和使用环境 进行通盘考虑。但至今为止，对t r i p 钢力学行为的应变率相关性的研究并不 深入，也不系统。 s l y c k e n 等人对0 1 8 c 1 5 6 m n 一1 7 3 a 1 0 0 2 1 s i 0 叭8 pt r i p 钢的动 态响应的研究发现：在准静态条件下的高强度水平和卓越的可变形性在高应 变率加载过程中得到了延续，并且发现随着应变率的升高，表现出更高的强度 和延伸率，以及更高的能量吸收水平。 实验证明，随着应变率的提高，残余奥氏体的转变量有逐渐减少的趋势。 也就是说低应变率下残余奥氏体转变较完全。文献f 4 3 】指出，在低应变率拉伸条 件下变形时问长合金中缺陷的产生和累积有充分的时间，益于在奥氏体与其 它的相界面产生高度的应力集中，有利于奥氏体向马氏体的转变，低应变率下 稳定性较低的残余奥氏体先发生马氏体相变：在高应变率下的绝热温升抑制或 延缓了马氏体胚的生长，残余奥氏体稳定性提高，稳定性高的残余奥氏体就有 可能随着应变的增大完成渐近式转变。但对残余奥氏体转变与加工硬化行为的 关系以及变形和断裂行为等还没有进行系统研究。 b l e c k 4 4 i 在伺服式试验机上对不同成分的t r i p 钢进行了拉伸试验，其应变 率范围为5 1 0 - 3 2 1 0 2s 。试验结果表明，提高应变速率，实验材料的延伸率 高于准静态拉伸试验的结果。c h o i 4 5 l 在t r j p 钢动态拉伸试验( 应变率： 1 1 0 - 3 、2 5 1 0 2s 1 ) 中发现，随着应变率的提高所有试样的能力吸收值都提高。 但作者仅对t r i p 钢力学性能的应变率相关性进行了初步研究，对高应变率下 的变形行为也没有深入探讨。 另有实验证明【“1 ：随应变率的增加或变形速率的提高，材料的屈服强度和 抗拉强度增加，均匀延伸率显著降低，总延伸率下降，而失稳区延伸率增加； 由于材料中残余奥氏体在变形过程中的变形诱发向马氏体的转变作用松弛了应 海人学坝i 学位论义 第一帝绪论 力集中，以及应变率的热软化作用，材料的总延伸率降低不明显。 这旱出现了随着应变率的提高，材料的延伸率到底是升高还是降低的矛盾。 对此现象，迄今为止还没有明确的相关解释，还有待进一步深入研究。 上述列t r i p 钢动态性能的影响研究的一个普遍现象就是，高应变率下的 应力应变益线中失稳前的塑性变形阶段的上升幅度明显高于低应变率下的应力 增长幅度，这里就有一个应变率硬化的问题，即应变率对硬化指数i 1 的影响。 一般认为，r l 不随应变率变化而变化。在h o l l o m o n 方程中，只是k 值与应变率 有关，这祧稳态材料而言是合理的。但由于t r i p 钢含有亚稳态的残余奥氏体， 变形过程中由于存在诱发相变的过程，应变率在对强度和延伸率有影响的同时， 可能会影响到转变产物的组织形貌和转变动力学。通常认为，高应变率的绝热 温升会使残余奥氏体的转变驱动力下降和相变受到抑制4 7 ，4 8 , 4 9 , 5 叭，但对此问题 还缺乏系统研究。 材料在变形及断裂过程中，外在所消耗的能量中有一部分会变成热能而使 试样内部温度升高，一部分以缺陷形式储存于材料中。这一部分热能产生的温 升在某种程度上会影响材料的行划5 ”。低应变率加载体系中，由于变形时间较 长，外在功转变的热能会向环境消散，试样的温升很小，可咀按等温过程来处 理。但在高应变率变形时，体系能量造成的瞬态温升必须考虑，可假定塑性功 变成热能，变形是绝热的阮53 1 。但应变率对亚稳态