（材料物理与化学专业论文）氮、铌合金化孪生诱发塑性（twip）钢的研究.pdf

上海交通大学博士学位沦文 氮、铌合金化孪生诱发塑。i 生( t w i p ) 钢的研究 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1 5 2 5 m a s s m n 、2 4 m a s s s i 和2 4 m a s s a i 的高m n 钢显示出极高的延伸率( 6 0 9 5 ) 和高的强 度( 6 0 0 1 1 0 0 m p a ) ，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 ( t w i n n i n gi n d u c e dp l a s t i c i t y ，t w i p 效应) 或马氏体相变诱发塑性( t r a n s f o r m a t i o n h l d u c e dp l a s t i c i t y ，t r i p 效应 ) 。尽管m n 、s i 、a 1 对t w i p 钢的显微组织及其性能的 影咿已有较多的研究，但对含n 和n b 的t w l p 钢组织与性能的研究尚未报道，而 且对t w i p 效应和t r i p 效应的机制尚未充分揭示。本文设计了几种不同n 、舢含 量的t w i p 钢和含n b 新型t w l p 钢，通过力学性能测试，结合光学显微镜( o m ) 、x 射线衍射( x r d ) 、扫描电镜( s e m ) 和透射电镜( t e m ) 等表征技术，探讨n 、a l 、n b 等合金元素对t w i p 钢层错几率( 与层错能成反比) 、力学性能的影响，并对t w l p 钢 中的t w i p 效应机制、马氏体相变方式及f h c p 马氏体的形成机制进行了较为系统的 石：究，获得以下主要研究结果。 对不同n 、舢含量t w i p 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 、砧均可提高t w i p 钢的层错能，抑制马氏体 t 0 变，促进t w l p 效应。不同化学成分t w i p 钢x r d 图谱的分析结果显示，含n 新 型t w i p 钢在形变过程中能够强烈抑制口马氏体相变，这是由于合金在由f c c 结构 的奥氏体或h c p 结构的s 马氏体向b c c 结构口马氏体相变时，其最大间隙由 0 1 0 4 4 n m 降低至0 0 7 3 3 n m ，存在于间隙位置的n 显著增大口马氏体切变阻力，抑 制了口马氏体相变。 不同的温度下含n b 新型t w l p 钢力学性能测试、层错几率测定结果表明， t w i p 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 t w i p 效应的产生，因而具有优良的塑性。对含n b 新型t w i p 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 摘要 素n b 的细晶强化作用以及提高层错能改善塑性的优点导致含n b 新型t w l p 钢具有 优异的综合力学性能，其强塑积最高达到7 0 0 0 0 m p a 比无n b 的传统t w l p 钢的强 塑积高出2 0 0 0 0m p a ；在0 至3 0 。c 低温使用范围内平均强塑积高达 5 6 1 5 0 5 m p a ，明显高于化学成分相近的无n bt w l p 钢( 4 4 7 2 9 m p a ) 。 在层错的t e m 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f c c 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 占马氏体相变的机制，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，肛_ 占忉马氏体相变的发生。当层错几率口 - 1 时，形成无缺陷的s 马氏体，当 口呻1 时，形成有层错缺陷的马氏体。f 、口马氏体的形核和长大均需要消耗大量 的层错，致使、口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t w l p 钢相变后由x r d 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x r d 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t w l p 效应；而在较低的温度，形变过程中倾向于发生t r i p 效应而提高 塑性。层错能不同的钢，其发生t w i p 效应和t r i p 效应的形变温度不同，随钢的层 错能增加，由t w l p 效应和t r i p 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f c c 结构t w l p 钢中的层错、孪晶形态进行了预测，并 采用o m 、s e m 和t e m 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t w i p 钢诱发塑性的机 制。形成形变孪晶的最高温度( 乃) 和热诱发马氏体开始温度( 尥) 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。在乃温度以上，只 有通过滑移实现t w l p 钢的塑性；在乃温度和慨温度之间，诱发形变孪晶为该温度 区白j 的主导机制，导致显著的t w l p 效应；当温度低于帆，则呈现出显著的t r i p 效应。 上海交通大学博士学位论文 在不同形变速率下的力学性能测试结果显示，t w i p 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。 t w i p 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：) ，肛呻忉，触呻切- a b c c ；而在较低温度，当钢中的主要形变机 制为t r i p 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 ) ，缸呻，奥氏体可直接转变为口马氏体。t w i p 钢由于具有高的延伸率，在形变 过程中造成母相f c c 结构的y 奥氏体内部形成大量位错并相互缠结，位错的缠结不 利于s 马氏体的形成，而直接导致位错型f z b c 马氏体。c 关键词：t w i p 钢，t r i p 效应，n ，n b ，强塑积，层错几率，马氏体相 变，x r d ，t e m 感谢国家自然科学基金( 项目编号：5 0 5 7 1 0 6 0 ) 给予的资助! 摘要 s t u d yo ft w i n n i n gi n d u c e dp l a s t i c i t yw i t h a d d i t i o no fn i t r o g e no rn i o b i u m a b s t r a c t t h ec o m b i n a t i o no fh i g hs t r e n g t ha n dg o o dd u c t i l i t yi sas e e k i n go b j e c t i v eo ft h e s t r u c t u r a lm a t e r i a ld e s i g n r e c e n t l y ，t h en e wd e v e l o p e dh i g hm a n g a n e s es t e e l sc o n t a i n i n g 1 5t o2 5m a s s m na n da d d i t i o n so fs i l i c o na n da l u m i n u mo fa b o u t2t o4m a s s e x h i b i t t h el a r g ee l o n g a t i o n ( 6 0 9 5 ) a n dh i g ht e n s i l es t r e n g t h ( 6 0 0 - 11 0 0 m p a ) d u et ot w i n n i n g i n d u c e dp l a s t i c i t y ( 隔i p ) e f f e c to rt r a n s f o r m a t i o ni n d u c e dp l a s t i c i t y ( t r i p ) e f f e c tv i a m u l t i p l em a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o n s a l t h o u g ht h ee f f e c t so fm n ，s ia n d a io nt h e m i c r o s t r u e t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft w l ps t e e lh a db e e ni n v e s t i g a t e d ，t h ee f f e c t 0 fn ，n bo nt h o s eo ft w l ps t e e la r en o tr e p o r t e d ，a n dt h em e c h a n i s mo ft w l p e f f e c t ， t r i pe f f e c ta r en o tr e v e a l e ds u f f i c i e n t l y s e v e r a lt w l ps t e e l sw i t hd i f f e r e n tc o n t e n to fn ， a lo rw i t ha d d i t i o no fn bw e r ed e s i g n e d ，a n dt h ee f f e c t so fn ，a la n dn bo ns t a c k i n gf a u l t p r o b a b i l i t y ( s e a ，r e v e r s ep r o p o r t i o n a lt os t a c k i n gf a u l te n e r g y ) a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s w e r es t u d i e db ym e a n so ft e n s i l et e s t sa n dc h a r a c t e r i z a t i o nt h r o u g ho p t i c a lm i c r o s c o p e ( o m ) ，x r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) a n dt r a n s m i s s i o n e l e c t r o nm i c r o s c o p e ( t e m ) a n dt h em e c h a n i s m so ft w l pe f f e c ta n d e h e vm a r t e n s i t e f o r m a t i o na sw e l la st h ea p p r o a c h e so fm a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o nw e r es y s t e m a t i c a l l y i n v e s t i g a t e d ，a n dt h em a i nc o n c l u s i o n sa r ed e s c r i b e da sf o l l o w s n es f po ft w l ps t e e l sw i t hd i f f e r e n ta d d i t i o no fn ，a 1w e r ed e t e r m i n e d ，a n dt e n s i l e t e s t sw e r ep e r f o r m e da td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e t h er e s u l t si n d i c a t et h a tb o t hna n da i i n c r e a s es t a c k i n gf a u l te n e r g y ( s f e ) o ft w l ps t e e l ，s u p p r e s sm a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o n a n df a v o u rt h et w i pe f f e c t t h ex r d s p e c t r ao ft w l p s t e e l sw i t hd i f f e r e n tc o m p o s i t i o n w e r ea n a l y z e da n dt h er e s u l t ss h o wt h a t 口m a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o ni si n t e n s i v e l y i v 上海交通大学博士学位论文 s u p p r e s s e di nt h et w i p s t e e lw i t ha d d i t i o no fn w h e nf c ca u s t e n s i t eo rh c p 占 m a r t e n s i t et r a n s f o r m st ob c cs t r u c t u r e 口m a r t e n s i t ei nt h e s es t e e l sw i t ha d d i t i o no fn ，t h e b i g g e s ti n t e r s t i c ed e c r e a s e df r o mo 1 0 4 4 n mi nf c c o rh c ps t r u c t u r et o0 0 7 3 3 n mi nb c c ， a n dt h el a t t i c ed i s t o r t i o ne n e r g yo fb c cm a r t e n s i t ew e r eg r e a t l ye n l a r g e db yns i t u a t e di n t h ei n t e r s t i c e s ，l e a d i n gt ot h es u p p r e s s i o no ft h e 口m a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o n n et e n s i l et e s t sw e r ec a r d e do u ta n dt h es f po ft w i ps t e e l sw i t hd i f f e r e n ta d d i t i o n o fn bw e r ed e t e r m i n e da td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea d d i t i o no fn b r e m a r k a b l yd e c r e a s e ss f p ，o ri n c r e a s e ss f e ，a n dl e a dt os u p e r i o rd u c t i l i t yb yf a v o u r i n g t h ef o r m a t i o no fd e f o r m a t i o nt w i n n i n ga n dt w 口e f f e c t t h em i c r o s t r u c t u r e c h a r a c t e r i z a t i o no ft w i ps t e e lc o n t a i n i n gn bs h o wt h a tt h ea d d t i o no fn bg r e a t l yr e d u c e s t h es i z eo fa u s t e n s i t eg r a i n ，a n dt h u si m p r o v e st h es t r e n g t ho fs t e e l t h ec o m p r e h e n s i v e e f f e c t so fn bo ng r a i nr e f i n e m e n ta n ds f eg i v er i s et oe x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，t h e p r o d u c to ft e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o n ( p s e ) c a nb ea sh i g ha s7 0 0 0 0 m p a a n d i s 2 0 0 0 0 m p a h i g h e rt h a nt h et w i ps t e e lw i t h o u ta d d i t i o no fn b ；t h ea v e r a g ep s e i sa s h i g ha s5 6 1 5 0 5 m p a a tl o wt e m p e r a t u r er a n g ef r o m0 t o - 3 0 ( 2a n di sa l s oh i g h e rt h a nt h e 4 4 7 2 9m p a o ft h el a t e r d u r i n gt h eo b s e r v a t i o no fs t a c k i n gf a u l t sb yt e m ，t h ed i r e c t i o n a ls h i f t so fs o m e d i f f r a c t i o ns p o t sw e r ef o u n di nt h el o c a la r e aw i t hh i g hd e n s i t yo fp a r a l l e ls t a c k i n gf a u l t s ， t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es h i f to fd i f f r a c t i o ns p o ta n ds f pi nf c cs t r u c t u r ei sd e d u c e d a n dt h em e t h o do fd e t e r m i n i n gs f pw a se s t a b l i s h e d b a s e do nt h er e s u l t so fl o c a ls f p m e a s u r e db ye l e c t r o nd i f f r a c t i o n ，t h em e c h a n i s m o f ) ，声c 呻脚m a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o n w a sp r o p o s e d ，i e d e f o r m a t i o np r o v i d e st h ee n e r g yf o r t h ed i s s o c i a t i o no fp e r f e c t d i s l o c a t i o n ，a n dt h u sal a r g en u m b e ro fp a r t i a ld i s l o c a t i o n sa c c o m p a n y i n gs t a c k i n gf a u l t s a r ef o r m e dd u r i n gd e f o r m a t i o n ，a n dt h es t r e s sf i e l do fp a r t i a ld i s l o c a t i o n sc a ni n d u c et h e f o r m a t i o no fo t h e rp e r f e c td i s l o c a t i o n sa n dt h e i rd i s s o c i a t i o n ，r e s u l t i n gi nt h el o c a l i z a t i o n o f s t a c k i n gf a u l t s ，t h e nt h eh i g hd e n s i t yo fl o c a ls t a c k i n gf a u l t se v o l u t ef r o ms t a c k i n g d i s o r d e rt os t a c k i n go r d e ra n df o r m e d 占m a r t c n s i t ee v e n t u a l l y w h e nt h es t a c k i n gf a u l t p r o b a b i l i t y 口= 1 ，t h ep e r f e c t m a r t e n s i t ei sf o r m e d ，o t h e r w i s e ，w h e r e a s 口呻1 ，t h es m a r t e n s i t ew i t hs t a c k i n gf a u l ti sf o r m e d b a s e do nt h em e c h a n i s mo ffm a r t e n s i t e f o r m a t i o ni ti sc l e a rt h a tb o t ho ft h en u c l e a t i o na n dg r o w t ho f ，口m a r t e n s i t e sw i l l c o n s u m eal a r g en u m b e ro fs t a c k i n gf a u l t sa n dm a k et h en u m b e ro fs t a c k i n gf a u l t s v 摘要 d e c r e a s es h a r p l y ，w h i c hc a u s e dt h a tt h es f pm e a s u r e db yx r di sn o tr e v e r s ep r o p o r t i o n a l t 0s f ea f t e rm a r t e n t i ct r a n s f o r m a t i o n si nt w i ps t e e l s t e n s i l et e s ta n dx r d a n a l y s i so fs e v e r a lt w 坤s t e e l sa td i f f e r e n tt e m p e r a t u r ei n d i c a t e t h a ts t a c k i n gf a u l te n e r g yi sp r o p o r t i o n a lt ot e m p e r a t u r e ，i e s t a c k i n gf a u l te n e r g y d e c r e a s e sw i t ht h el o w e r i n gt e m p e r a t u r e t h ec l o s er e l a t i o n s h i pb e t w e e n s t a c k i n gf a u l t e n e r g ya n dt e m p e r a t u r er e s u l ti nd i f f e r e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ea l l o ya td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s a th i g h e rt e m p e r a t u r e ，t h es f e i sh i g h e ra n di sf a v o u r e dt ot w i n n i n gd u r i n g d e f o r m a t i o n ，a n dt w l pe f f e c ti si n d u c e d ；a tl o w e rt e m p e r a t u r e ，t r i pe f f e c ti sf a v o u r e d t h ed e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r er a n g ei nw h i c ht w l po rt r i pe f f e c tt a k e sp l a c ei sd i f f e r e n t f o rs t e e l sw i t hd i f f e r e n ts f e w i t ht h ei n c r e a s i n go fs f e ，t h ep e a k si na ne l o n g a t i o n - t e m p r a t u r ec u r v ec a u s e db yt w i p o rt r i pe f f e c tm o v et ol o w e rt e m p e r a t u r e t h em o r p h o l o g i e so fs t a c k i n gf a u l t sa n dt w i n si nf c ct w l ps t e e l sw e r ep r e d i c t e db y c r y s t a l l o g r a p h i ca n a l y s i sa n dw e r ev e r i f i e db ym e a n so fo m ，s e ma n dt e m t h e m e c h a n i s m so fi n d u c i n gp l a s t i c i t y ( s l i d i n gi n d u c e dp l a s t i c i t y ，t w i n n i n gi n d u c e d p l a s t i c i t y o rt r a n s f o r m a t i o ni n d u c e dp l a s t i c i t y ) i nt w l ps t e e l sw a ss u g g e s t e db a s e do nb o t ht h e o b s e r v a t i o no fm o r p h o l o g yo ft w i n sa td i f f e r e n td e f o r m a t i o nc o n d i t i o n sa n df u n d a m e n t a l p r i n c i p l eo fm a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o n ，n a m e l y ，t h es t a r tt e m p e r a t u r e ( 劢o fd e f o r m a t i o n t w i n n i n ga n dt h es t a r tt e m p e r a t u r e ( 腹) o ft h e r m a i n d u c e dm a r t e n s i t ed e t e r m i n et h e d e f o r m a t i o nm e c h a n i s m s a b o v et h e 易t h ed u c t i l i t yo fn l ps t e e li sr e a l i z e do n l yb y s l i d i n g ；b e t w e e n 乃a n dm s ，t h ep r e d o m i n a n tm e c h a n i s mi sd e f o r m a t i o nt w i n n i n g a c c o m p a n y i n gt w i pe f f e c t ；a n db e l o wm s ，i ti st r i pe f f e c t t h er e s u l t so ft e n s i l et e s t sa td i f f e r e n td e f o r m a t i o nr a t es h o wt h a t ，t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft w i p s t e e li sa f f e c t e db yd e f o r m a t i o nr a t e t h ey i e l ds t r e n g t hi ss l o w l y e n h a n c e dw i t hi n c r e a s i n gd e f o r m a t i o nr a t e ；w h i l et h eu l t i m a t es t r e n g t hl o w l yd e c r e a s e s w i t ht h ei n c r e a s eo fd e f o r m a t i o nr a t e b o t ho ft h et o t a le l o n g a t i o na n du n i f o r me l o n g a t i o n d e c r e a s ef i r s t l ya n dt h e ni n c r e a s ew i t hi n c r e a s i n gd e f o r m a t i o nr a t e g e n e r a l l y ，t h ee f f e c to f d e f o r m a t i o nr a t eo ne l o n g a t i o ni sm o r ep o w e r f u lt h a no ny i e l ds t r e n g t ha n du l t i m a t e s t r e n g t h t h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro ft w i ps t e e la td i f f e r e n tt e m p e r a t u r es h o wt h a t ，a th i g h e r t e m p e r a t u r e ，m a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o ne x p e r i e n c e s i nt w o w a y s ：丫f c c 畸h c p ， ) ，斥。一 印- 口6 c 。；a tl o w e rt e m p e r a t u r e ，t h e r ei st h e o t h e rw a yo fm a r t e n s i t i c v i 上海交通大学博士学位论文 t r a n s f o r m a t i o n ：y 缸_ 口h ，i e a u s t e n s i t ec a n b ed i r e c t l yt r a n s f o r m e dt o 口m a r t e n s i t e w h e nt r i pe f f e c tb e c a m eap r e d o m i n a n tm e c h a n i s m t h eh i g he l o n g a t i o no ft w i ps t e e l r e s u l ti nt h ef o r m a t i o na n dt a n g l eo fal a r g en u m b e ro fd i s l o c a t i o n si nya u s t e n s i t ed u r i n g d e f o r m a t i o n ，a n ds u c ht a n g l ed i s l o c a t i o n sa r en o tf a v o u r a b l ef o r t h ef o r m a t i o no ff m a r t e n s i t e ，a n dc a u s et h et r a n s f o r m a t i o no fd i s l o c a t i o n - t y p em a r t e n s i t ef r o ma u s t e n s i t e d i r e c t l y k e yw o r d s ：”i ps t e e l ，t r i pe f f e c t ，n ，n b ，p r o d u c to fs t r e n g t ha n de l o n g a t i o n ， s t a c k i n gf a u l tp r o b a b i l i t y ，m a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o n ，x r d ，t e m v i i 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名量宝旭 日期：b 0 7 年9 月，岁日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名罐在旭 日期：0 7 年扩月，箩e l 一菁哥字 日期：炒7 年矿月名 i 海交通人学肆i 学位论立 11 引言 第一章绪论 汽车工业经过个多世纪的发展，已逐渐成为我田困民经济的支柱性产业。进 入2 1 世纪后，由于环境、能源、安全的要求的提高，汽车用的材料发生了很大变化， 从欧、美、日等园汽车用材料的总体发展柬看，钢的用量在减少，粉未金属、有色 金属和塑料的用量在增加，这些变化主要是由汽车轻量化的要求导致的【1 。2 l 。研究表 明，在其它条件不变的情况下，牟重每减轻1 0 可节省燃油3 - - 7 p 】。钢铁界经过 多年与汽车业在钢轻量化下身的技术合作，特别是由国际钢铁协会组织的 u l s a b a v c ( u l t r a l i g h ts t e e l a u t o b o d y a d v a n c e d v e h i c l e c o n c e p t s ) 项目的完成， 证明了钢铁仍然是今后汽1 一使用的主导材料。钢铁约占车重的5 5 7 0 ，但钢的 内涵却发生了很大变化，即由原先的以软钢和普通冷轧板为主发展到以高强度钢板 和热镀锌钢板为主，其中，高强度钢板将由目前每年使用量占车重的1 4 4 5 ( 1 0 0 2 9 4 公斤牟) 提商到将来的3 0 一7 0 。 i f ：z 间踪啄r m l l d 低目镇静镕 璐i f ：高瑚g i f 钢 o a r k “镕 俅i p # 诱发q 性 口t 马件钢 w i p j 6 诱艟塑性自 bs t e e l 热冲川自 幽1i 各类汽车川板的屈服强度和延伸率的芙系 f i g1 1r e l a t i o n s h i pb c t w e e ny i e l ds t r e n g t ha n de l o n g a t i o ni nv a r i o u sa u t o m o b i l es t e e l s 阳 轴 帅 0 一# 一* | 第一章绪论 上图1 1 显示了各类汽车用板的屈服强度和延伸率的关系，从中可看出，随着强 度的提高延伸率下降。在超高强度钢板( 孪晶诱发塑性钢、不锈钢、热冲压用钢和 马氏体钢) 中，t w i n n i n gi n d u c e dp l a s t i c i t y0 y e l p ) 孪晶诱发塑性钢不但具有相当高 的强度，还具有极优良的延伸率，它的出现为解决强度和塑性的矛盾提供了方向。 t w l p 钢的高强韧性以及高的能量吸收能力( 如2 0 。c 时约为0 5 j m m 3 【4 】) 使得汽车车 身抗冲击能力得到提高；优良的成型性可以在室温下冲压复杂形状的零部件；比重 ( p = 7 3 9 c m 3 ) 的降低导致车身总体重量下降；在- - 1 9 6 。c 一2 0 0 0 c 形变温度区间内没 有低温脆性转变温度【5 】的特点将提高汽车在低温环境中的工作能力。在2 0 0 4 年1 0 月召开的第3 8 界国际钢铁协会年会上，已经把高锰奥氏体t w l p 钢作为2 0 0 5 - - 2 0 1 0 重点开发的新一代高强韧性钢之一。 目前国外对t w l p 钢的研究比较多，德国马普钢铁研究所g f r o m m e y e r 课题组 研制和开发了f e m n s i a 1 系高锰奥氏体t r i p 厂r w i p 钢i 引，并申请专利( 专利号： 1 9 叨r d e l 9 7 2 7 7 5 9 ，e p 9 8 1 0 9 8 1 ) 并注册商标“h s d ”( h i g hs t r e n g t ha n dd u c t i l e ) 。德 国的k h s p i t z e r 等人针对f e m n s i a 1 系t r i p 厂r w i p 钢的冶炼工艺及轧制工艺等问 题进行了实验研究，采用d s c ( d i r e c ts t r i pc a s t i n g ) i 艺制备出1 0 - - - 1 5 m m 厚的试验板 材1 7 j 。国内开展这方面的研究起步较晚，现只有北京科技大学在开展此类钢的研究【刚。 但无庸置疑，t w l p 钢具有极高的强塑积，优势十分明显。随着我国汽车工业的发展， 迫切需要此类钢种强度级别的提高，因此t w l p 钢的开发在我国具有极大的潜力， 蕴涵着巨大的商机和市场。 1 2t w l p 效应的提出 通常认为【9 1 ，在晶体结构对称性比较低、滑移系比较少的材料中，当形变速度较 大，或在不利于滑移取向下加力时在某些应力集中的地方将产生孪晶，面心立方( f e e ) 金属不易产生孪晶，只有在极低的温度下才形成机械孪晶。由于孪生所产生的形变 量很小，故在滑移困难时仅起调整取向作用，使滑移得以继续进行。且有孪晶产生 的材料，其塑性均比较差。然而，1 9 9 7 年，g r a s s e l 等【5 ，1 0 1 在研究f e m n s i a i 系t r i p 2 l 海交通太学博十学位论立 钢试骑时发现，孪晶可在形变温度为一7 0 ，4 0 0 c 时的面心立方奥氏体中形成，形 变速率可低达1 0 s 。当f e m n s i ，a i 系钢锰含量达到2 5 w t ，钳含量超过3w t ， 硅含量在2 3 w t 之间时，具有中等的抗拉强度( r 。) ( 约6 0 0 m p a ) 和极高的延伸 率( a ) ( 大于8 0 ) ，其抗拉强度和延伸率的乘积在5 0 0 0 0 m p a 以上，是高强韧 性t r i p 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t r i p 钢 中的相变，故命名为孪生诱发塑性( t w i n n i n g i n d u c e dp l a s t i c i t y ，t w i p ) 钢。t w i p 钢中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 我们对孪生在形变过程中作用的科学认识。 1 3t w l p 钢微观组织及其合金元素作用 ( a )( b )( c ) 图1 2f e 一2 5 m n 3 s i - 3 a i 金( a ) 未变形，( b ) 形变温度4 0 0 c ，变形量5 0 ； r c ) 形变温度5