（材料加工工程专业论文）含nb高锰钢的组织与性能研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni n s t u d yo f p r o p e r t i e s 东北大学硕士学位论文 声明 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：划端醣 日期：渺 i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名：列碡靖 签字日期： k 7 f 导师签名： 签字日期： 了蜉 1 独i 7 东北大学硕士学位论文 摘要 含n b 高锰钢的组织与性能研究 摘要 为适应现代汽车减重、节能和安全舒适等特点，近年来新开发的含1 5 2 5 m n 、 2 4 s i 、2 - 4 a 1 的高锰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 ) ， 在汽车制造业中有广泛的应用前景，其优良的力学性能来自于变形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 i n 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响 已有较多的研究，并且n b 对t w i p 钢组织与性能的影响也有一定的研究，但是对t w i p 效应和t r i p 效应的机制尚未充分揭示。 本文设计了不含铌和含铌的两种t w i 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 b 元素对t w i p 钢层错能和力学性能及显微组织的影响，并对t w i p 钢中的t w i p 效应机制、马氏体相变方式进行了较为系统的研究，主要结论如下： ( 1 ) 计算f e m n a i c 合金的层错能，并分析加入合金元素s i 或n b 对合金层错能 的影响，其中s i 元素的加入降低实验钢的层错能，而加入n b 元素可以提高钢的层错能。 ( 2 ) 对不含n b 和含n b 两种实验钢进行热轧实验，并进行固溶处理，获得热轧状 态和固溶处理状态下的合金，分析比较固溶处理对实验钢力学性能和显微组织的影响。 发现经过固溶处理后，两实验钢的抗拉强度和屈服强度均降低，而塑性升高。 ( 3 ) 随固溶处理温度的升高，不含n b 与含n b 实验钢的屈服强度和抗拉强度均 降低。当固溶温度达到较高的1 2 0 0 。c 时，含n b 实验钢塑性继续增加，而不含n b 实验 钢由于组织粗化塑性略有降低。这主要是由于n b 使钢组织中的退火孪晶的数量和尺寸 继续增加。 经计算，s i 元素可以降低合金的层错能，n b 元素的加入可以提高合金的层错能。 实验结果表明，不含铌实验钢变形过程中主要发生t r i p 效应，而含铌实验钢变形过程 中主要发生t w i p 效应，并且n b 元素有细化晶粒的作用，提高实验钢的屈服强度。随 着固溶处理温度的升高，两种成分实验钢的抗拉强度降低。 关键词：高锰钢( t w i p t r i p 钢) ，层错能，显微组织，力学性能 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t 。一一一一一 s t u d yo fm i c r o s t r u c t u r ea n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fh i g hm a n g a n e s e s t e e lw i t hn b a bs t r a c t r e c e n t l y , i no r d e r t om e e tt h ea u t o m o t i v ei n d u s t r yw e i g h tl o s s ，e n e r g ye f f i c i e n c ya n d t h e r e q u i r e m e n t so fs a f ea n dc o m f o r t a b l e ，t h en e wh 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 15t o2 5 m 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 a n de x h i b i t i n gt h e l 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 1 10 0 m p a ) d u et ot w i n n i n gi n d u c e d p l a s t i c i t y ( t w 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 am u l t i p l e m a i r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o n sa r ed e v e l o p e d a l t h o u g ht h ee f f e c t so fm n ，s ia n da 1o nt h e m i c r o s t r u c 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 i 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 to f n bo nt h o s eo ft w i ps t e e la r ea l s oi n v e s t i g a t e d ，a n dt h em e c h a n i s mo ft w i p o rt r i pe f f e c t a r en o tr e v e a l e ds u f f i c i e n t l y t w ok i n d so fh i g hm a n g a n e s es t e e l sa l ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h et w ok i n d so fs t e e l w i t ho rw i t h o u ta 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 bo ns t a c k i n g f a u l t p r o b a b i l i t y ( s f p , 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 d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r e s t u d i e db vm 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 n m 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 i pe f f e c ta n dt h ea p p r o a c h e so f m a r t e n s i t i c t 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 yi n v e s t i g a t e d ，a n dt h em a i nc o n t e n t sa r ed e s c r i b e da s f o l l o w s ： ( 1 ) c a l c u l a t e dt h es t a c k i n gf a u l te n e r g yo ft h ef e m n - a i ca l l o ya n da n a l y z e dt h e i n n u e n c e so ft h ee l e m e n ts ia n dn b a d d i t i o nt h ee l e m e n to fs ir e d u c et h ef a u l te n e r g yo f e x p e r i e n ts t e e l ，w h i l et h en br e p r o v e i t ( 2 1h o t r o l l e dt h et w ok i n d so fs t e e l s ，a n ds o l u t i o nh e a tt r e a t m e n t w i t ht h et e m p e r a t u r eo f t h e1 0 5 0 。c a c c e s st os t u d yt h em i c r o s t r u c 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 h e s t a t eo f h o t - r o l l i n ga n ds o l u t i o nh e a tt r e a t m e n t ，a n a l y s i st h ee f f e c t so fs o l u t i o nh e a tt r e a t m e n to n t h e p r o p e r t i e so fe x p e r i m e n t a ls t e e l d e c r e a s e dt h e t w oe x p e r i m e n ts t e e ly i e l da n dt e n s i l es t r e n g t h b ys o l u t i o nt r e a t m e n t ( 3 ) w i t hr e p r o v e i n gt h es o l u t i o nt r e a t m e n tt e m p e r a t u r e ，b o t ht h ey i e l ds t r e n g t ha n dt h e t e n s i l es t r e n g t ho ft h et w ok i n g so fs t e e l sa r ed e c r e a s e d w h e nt h es o l u t i o nt e m p e r a t u r e i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t r e a t m e n tm e a s u r eu p12 0 0 。c ，t h ep l a s t i c i t yo ft h es t e e lw i t hn bc o n t i n u et oi n c r e a s e ，w h i l e t h ep l a s t i co ft h es t e e lw i t h o u tn bs l i g h t l yl o w e rb e c a u s et h eg r a i ns t r u c t u r e sc o a r s e n t h en b e l e m e n tc o n t i n u et oi n c r e a s et h en u m b e ro f a n n e a l i n gt w i n sa n ds i z ew a st h em a i nr e a s o n 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 br e m a r k a b l yi n c r e a s e ss f e ，w h i l et h ea d d i t i o n o fs id e c r e a s e ss f e t h en o n n bs t e e ld u r i n gd e f o r m a t i o no c c u r sm a i n l yt r i pe f f e c t w h i l e t h eo t h e rs t e e ld u r i n gd e f o r m a t i o no c c u r sm a i n l yt w i pe f f e c t a n dt h ee l e m e n to fn bh a v e t h er o l eo fg r a i nr e f i n e m e n tt oi m p r o v et h ey i e l ds t r e n g t ho ft h es t e e l a st h er i s eo ft h e s o l u t i o nh e a tt r e a t m e n tt e m p e r a t u r e ，t h et e n s i l es t r e n g t ho ft h eb o t ht w oa l l o y sd e c r e a s e k e yw o r d s ：h i g hm a n g a n e s es t e e l ( t w i p t r i ps t e e l ) ，s f e ，m i c r o s t r u c t u r e ，m e c h a n i c a l p r o p e r t y 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i e jj i ：1 ， 第一章绪论1 - 1 1 引言1 1 2 高锰钢的发展及研究现状2 1 3t w i p 效应的提出3 1 4 影响t w i p 效应的因素4 1 4 1 合金元素的影响4 1 4 2 热处理的影响7 1 5t w i p t r i p 钢的生产工艺8 1 6 热冷轧型t w i p t r i p 钢性能特点8 1 7t r i p 钢概述1 0 1 8t r i p t w i p 钢的力学性能1 1 1 9 本文研究的目的、意义和内容1 2 1 9 1 研究的目的、意义1 2 1 9 2 研究的内容14 第二章实验钢层错能计算一1 5 2 1 引言- 15 2 2 合金成分设计一16 2 3 层错能- 16 2 3 1 层错能的概念和定义一1 6 2 3 2 层错能的计算- 1 7 - 2 4 本章小结一2 l - 第三章热轧实验钢的拉伸性能研究一2 3 - 3 1 引言2 3 学硕士学位论文目录 2 实验方法2 4 3 2 1 制备拉伸试样j 2 4 3 2 2 金相观察2 5 3 2 3x 射线衍射分析2 5 3 2 4 拉伸断口组织的观察2 5 3 2 5t e m 观察2 5 3 3 实验钢的热轧和固溶处理实验2 6 3 3 1n o 1 实验钢的热轧和固溶处理实验2 6 3 3 2n o 2 实验钢的拉伸组织与力学性能3 6 3 3 3n b 元素的作用4 0 3 4 分析讨论4 2 3 5 本章小结4 3 第四章固溶处理温度对实验钢的影响4 5 4 1 引言4 5 4 2 实验结果4 5 4 2 1 实验材料和固溶处理工艺4 5 4 2 2n o 1 实验钢的力学性能4 6 4 2 3n o 2 实验钢力学性能4 7 4 2 3 显微组织观察4 8 4 2 4 断口形貌5 0 4 3 本章小结51 - 第五章结论5 2 参考文献5 3 致谢5 7 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论弟一早珀了匕 钢铁工业是国民经济的基础，是国家经济水平和综合国力的重要标志，钢铁发展直 接影响着与其相关的国防工业及建筑、机械、造船、汽车、家电等行业。随着国际产业 的转移和中国国民经济的快速发展，中国钢铁工业取得了重大成就。 近年来，随着国民生产总值的增长，对钢铁的需求进一步增加。对我国钢铁工业不 仅在数量上快速增长，而且在品种质量、装备水平、技术经济、节能环保等诸多方面都 取得了很大的进步，形成了一批具有较强竞争力的钢铁企业，不仅为我国国民经济的快 速发展作出了重大贡献，也为世界经济的繁荣和世界钢铁工业的发展起到了积极的促进 作用。 但是相比于发达国家，我国的钢材质量还是比较差，而且品种也不齐全，每年还需 要进口大量的钢材以弥补缺口。尤其是2 0 0 8 年，随着世界经济危机的蔓延，全球钢铁 行业的发展面临巨大压力，我国钢铁行业下游市场需求减缓。为满足经济发展和国防需 要，必须走一条以质补量的新思路，开发研制性能更好的新一代钢铁材料。 汽车工业经过一个多世纪的发展，己逐渐成为我国国民经济的支柱性产业。进入2 1 世纪后，由于汽车工业对轻量化、安全、排放、成本控制以及燃油经济性要求越来越高， 汽车用的材料发生了很大变化。从欧、美、日等国汽车用材料的总体发展来看，钢的用 量在减少，粉末金属、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【3 ，4 】。研究表明，在其它条件不变的情况下，车重每减轻1 0 可节省燃油 3 7 t5 。，在不使用其它材料代替的情况下，采用剪薄的高强度钢板成为必然的选择。 钢铁界经过多年与汽车业在钢轻量化车身的技术合作【3 j ，特别是世界钢铁制造商组 成的开发新一代轻量汽车的团体一u l s a b a v c 项目( u l t r al i g h ts t e e la u t o b o d y a d v a n c e dv e h i c l ec o n c e p t ) 的完成，证明了钢铁仍然是今后汽车使用的主导材料。 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车使 用量占车重的1 4 4 5 ( 1 0 0 2 9 4 公斤车) 提高到将来的3 0 7 0 。研制和开发高强、 高塑性钢以实现汽车的轻型化是汽车工业近年研究的重点，由此极大地促进了高强度钢 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 板的制造及应用技术进步。 为适应现代汽车减重、节能和安全舒适等的特点，在汽车制造中有必要采用高强度 和超高强度的汽车钢板。为了美国汽车产业在未来相当长的时期内保持领先地位，美国 由政府组织，围绕着汽车产品创新，实施了“新一代的汽车合作计划p n g v ”。而 t r i p t w i p 钢就是p n g v 和u l s a b 计划着力推广的超高强度钢。它不仅具有高强度、 高的应变硬化率，还有优良的塑性、韧性和成形性能。这些优越的性能正符合汽车工业 在提高安全标准和更合理、低成本生产等方面的要求。因而t r i p t w i p 钢己成为汽车 制造行业的新宠【6 1 。 1 2 高锰钢的发展及研究现状 1 8 8 2 年英国人r a 哈特菲尔德【7 】发现奥氏体不锈钢和高锰h a d f i e l d 钢，趋向于形成 大范围的堆垛层错、孪晶以及平面位错结构，但是高m n 奥氏体合金在汽车工业上却一 直没有得到应用。他于1 8 7 8 年开始进行锰钢的研究工作，四年以后，发现当锰含量达 到或者超过1 0 时，在加热至1 0 0 0 左右并在冷水中淬火后可获得良好性能的高锰钢。 并于1 8 8 3 年获得了锰钢的第一次专利，在随后的几年里他测定了锰钢的物理性能及工 艺性能，确定了它的热处理水淬温度。1 9 0 2 年进一步确定了高锰钢铸件水淬温度为 9 8 0 1 0 5 0 ，以保证钢的韧性和强度。后来经过不断的研究将碳含量大体确定为1 2 左右，锰含量定为1 2 1 3 左右，并一直沿用1 8 , 9 1 。 1 9 9 7 年，o g r a s s e l t l 0 j 等在研究f e m n s i a i 系t r i p 钢时发现，当锰含量( 质量分 数) 达到2 5 ，铝含量超过3 ，硅含量在2 3 范围时钢的抗拉强度和伸长率的乘积， 即强塑积己超过了5 0 0 0 0 m p a ，是高强韧性t r i p 钢的2 倍。由于该类钢的高强韧性来 自形变过程中孪晶的形成，而不是t r i p 钢中的相变，故被命名为孪生诱发塑l 生( 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。 2 0 0 4 年1 0 月召开的第3 8 界国际钢铁协会年会上，把高锰奥氏体t w i 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。2 0 0 5 年国际钢铁协会成员a r c e l o r ( 安 赛乐米尔) 和t h y s s e nk r u p ps t a h l ( 蒂森克虏伯) 公司签署联合研发协议希望在高能量 吸收率和优良成形性的汽车用钢板一高锰t w i p 钢的研究方面取得技术突破。研究显示， 目前高锰t w i p 钢的最高强度已达1 1 0 0 m p a ，伸长率可以达到9 5 ，具有高的应变硬化 率，对冲击能量的吸收程度是现有高强钢的两倍( 2 0 时约为0 5 j m m 2 ) ，是一种潜在 的汽车车身和底盘结构件上可大量采用的新钢种，减重率 2 0 ，极具市场前景【1 1 】。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 目前国外对t w i p 钢的研究比较多，德国马普钢铁研究所g f r o 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 t w i p 钢1 1 2 】，申请专利( 专利号： 1 9 9 7 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 固( 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 p t 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 3 , 1 4 】。 国内丌展这方面的研究起步较晚，现只有北京科技大学、上海大学和东北大学在开展此 类钢的研究。但无庸置疑，t w i p 钢具有极高的强塑积，优势十分明显。 汽车用钢主要的欧洲供应商a r c e l o r 公司和t h y s s e nk r u p ps t a ( t k s ) 公司的研发 部门从2 0 0 5 年开始共同研制了一系列的f e m n c 系以及f e m n a i s i 系t w i p 钢，命 名为“x i p ”( xt r e m e l yf o r m a b l ex t r e m e l yh i g hs t r e n g t hs t e e l sw i t hi n d u c e dp l t i c i t y ) 钢f1 5 】， 目前已能向客户提供x i p f e m n1 0 0 0 t w i p 钢，并被用在门柱上以增加汽车侧面受冲击 时的安全性，今后两公司将扩大t w i p 钢等级范围。 t w i p 钢具有中等的抗拉强度和极高的伸长率。除此之外，具有高的能量吸收能力 而且没有低温脆性转变温度。如2 0 。c 时，t w i p 钢的单位吸收功约为0 5 j m m 3 【7 】 比传 统深冲钢高2 倍多。这些优越的性能正符合汽车工业在提高安全标准和更合理、低成本 生产等方面的要求。 随着我国汽车工业的发展，迫切需要此类钢种强度级别的塑性的提高，因此t w i p 钢的丌发在我国具有极大的潜力，蕴涵着巨大的商机和市场。尤其是通过添加一些微量 合金元素来降低过高的m n 、s i 、a 1 等合金元素的含量，使材料在具有高的强度、塑性 及成形性的基础上还有利于大工业生产与应用。 1 3t w i p 效应的提出 t w i p 钢优异的力学性能来自孪生诱导塑性，这种孪生在形变中的作用与传统的概 念完全不同。通常认为，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施加外力时，在某些应力集中的地方将产生孪晶，面心 立方( f c c ) 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1 1 6 , 1 7 1 在研究f e m n s i a i 系t r i p 钢试验时发现，孪晶可在形变温度为一7 0 。c - 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 4 s 。当f e m n s i a 1 系钢锰含量达到2 5 ，铝含量超过3 ，硅含量在2 3 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 之间时，具有中等的抗拉强度( 约6 0 0 m p a ) 和极高的延伸率( 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。 孪生诱发塑性效应是金属在外加载荷的作用下，在变形过程中由于高应变区会应变 诱发孪晶转变，由此显著延迟钢的缩颈，从而极大地提高了钢的塑性。 t w i p 钢冷却到室温时的组织是稳定的奥氏体，但若施加一定的外部载荷，在变形 过程中会产生形变孪晶，并且也正是由于变形过程中孪晶和位错相互作用、孪晶和孪晶 相互作用以及孪晶取向改变引发的滑移、滑移又阻碍孪生的进行，使t w i p 钢具有高塑 性高强度【1 8 】，而研究过程中也发现变形孪晶首先开始于取向合适的退火孪晶，因此变形 孪晶的发生依赖于退火孪晶的存在1 9 】。所以研究t w i p 钢中退火孪晶具有重要意义，有 利于t w i p 钢性能的进一步提高。 随着m n 含量的增加，钢中奥氏体稳定性增强，其层错能也相应提高。所以， f e 2 0 m n 3 s i 3 a 1 钢在小于5 0 时才具有明显的t r i p 效应。室温下，该钢组织由奥氏 体和, f , h c p 马氏体两相组成，其中奥氏体相的体积分数为8 0 ， g h c p 马氏体相的体积分数 为2 0 。载荷作用下，由于形变诱发奥氏体相变( 即t r i p 效应) ，使组织中仅保留2 0 的奥氏体相，7 0 为口缸马氏体相，而 占h c p 马氏体相仅占1 0 。从而使材料的总伸长率 达到8 0 1 7 1 。而当大于5 0 c 时，由于组织状态的改变，致使该成分钢产生t r i p 效应的 几率下降。 1 4 影响t w i p 效应的因素 1 4 1 合金元素的影响 孪生诱导塑性钢是指超高锰钢中因为机械孪晶的形成而具有的不寻常的塑性。 t w i p 钢通常是锰的质量分数为1 5 3 0 的高锰奥氏体钢，这种钢的微观结构与锰含量 密切相关，并能够在塑性变形的过程中表现出较高的延展性和优越的强度特性 2 0 , 2 2 1 】。 奥氏体钢在室温下可能的马氏体相变途径有：。专毛印、专寸口址、 y 豇_ 口址。不同合金化的奥氏体钢的力学性能和形变断裂行为变化规律较复杂。合金 - 4 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 元素固溶于奥氏体中，影响着奥氏体的各种微观参量，如层错能、相变驱动力等，从而 也影响了奥氏体的强度、韧度、相变临界点、形变断裂特性等宏观参量。这些参量问并 不是独立的，而是相互关联的。不同的合金元素对各参量的影响程度是不同的。合金元 素对奥氏体钢相变、性能等作用是综合性的、系统性的【2 2 1 。由于合金元素的原子结构、 热力学特性不同，所以不同合金元素的作用是不同的，例如铁素体形成元素和奥氏体形 成元素，碳( 氮) 化合物形成元素和非碳( 氮) 化合物形成元素，置换固溶型元素和间 隙固溶元素【2 3 】。下面分别介绍在t w i p 刚中存在的几种常用合金元素的作用： ( 1 ) 碳在合会钢中有2 个作用：促使形成单相奥氏体组织；固溶强化，以保 证钢的力学性能【2 4 】。在锰含量较高的f e m n 合金系中，奥氏体相区的成分范围变化很 大，在此区域希望碳含量尽可能高以提高力学性能。这样，虽然铸态组织中有较多的碳 化物，同时有少量珠光体组织，但经固溶处理后可以得到单相奥氏体组织。当然，碳含 量也不能过高，否则热处理后不能全部消除碳化物，会对钢的性能产生副作用。而且碳 含量过高不利于材料的焊接性能，因此必需进一步研究碳含量及碳与其它合金元素的相 互关系。 ( 2 ) 锰是钢中的主要合金元素，它的作用是扩大y 缸相区，稳定奥氏体组织【2 4 】。 当钢中碳含量一定时。随锰含量增加，其组织逐渐由珠光体型转变为马氏体型，并进一 步转变为奥氏体型，促使合金钢形成单一的奥氏体组织；锰的另一个主要作用是提高合 金钢的层错能。层错能高的合金倾向于以机械孪晶的形成来取代马氏体相变【2 5 】。随锰含 量增加，层错能提高，抑制马氏体相变，呈现出孪晶诱发塑性效应，但锰含量与层错能 的关系以及对t w i p 效应的影响规律还需进行深入研究。 ( 3 ) 硅在合金钢中可固溶于奥氏体，起固溶强化作用，而且硅还可以改变碳在奥 氏体中的溶解度，因此硅对钢力学性能的影响比较复杂。加入硅可使层错能下降，在冷 却和变形过程中有利于y 缸j 毛印相变【2 6 1 ，倾向于发生相变诱发塑性效应。0 g r a s s e l 等 1 1 1 的研究结果表明，硅的作用是促进y 触相转变成占枷相。目前t w i p 钢均以硅含量3 为最佳。但是，由于硅含量高不利于材料的涂镀性能，而且对t w i p 钢产业化影响不利， 因此应该探索替代元素。 ( 4 ) 铝在合金钢中的作用是提高层错能，抑制y 触专毛印的相变，有利于形变孪晶 的形成，从而提高其强度和塑性【l l 】。a s h a m a d a 等【2 7 1 研究了铝对高锰t w i p 钢热变形 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 和拉伸性能的影响。结果表明，高锰含量和一定的铝含量可显著提高钢的热变形抗力， 延迟动态再结晶，使奥氏体晶粒在动态再结晶后得到细化。但是，铝含量高对浇铸不利， 而铝又是实现t w i p 效应较好的元素，因此可以探索适当提高碳含量或加入其它元素以 降低铝含量。 ( 5 ) 铌是最典型的微合金元素，在高强度低合金钢中，铌的作用是细化晶粒，在 提高钢强度的同时，改善钢的韧性，并产生一定程度n b c 或n b n 的析出强化，以及通 过控制奥氏体铁素体相变的实际进行程度和进行方式提高钢的强度。随着冶炼技术的进 步，钢中的碳含量降低，提高了铌在奥氏体中的溶解度积，允许添加更多的铌，这将有 效加强铌对奥氏体调节的作用，奥氏体中固溶铌有降低奥氏体铁素体转变温度的作用， 同时在基体相转变的过程中和相变后在铁素体中有更多的n b c 或n b n 析出，增大沉淀 强化作用 2 9 , 2 9 。 ( 6 ) 间隙原子n 对层错能的影响：实验【3 0 1 表明0 0 4 7 n 降低了f e m n s i 基合金 的层错几率，所以认为n 增加了合金的层错能；u l l a k k o 等【3 l j 则认为0 2 n 降低了 f e m n s i 基合金的层错能，但没有实验数据。y a k u b t s o v 等理论计算表明n 在合金中 对层错能的影响主要表现在两个方面：n 和合金中其它溶质原子( 置换型) 之间的交互 作用，增加合金的层错能；在合金中，n 在层错位置的偏聚对层错能具有负面影响，即 降低合金的层错能。当氮含量比较低时，n 和其它溶质原子的交互作用占据主导地位， 增加层错能；当n 含量超过一定浓度后，偏聚增强，层错能开始减小。也就是说，n 先 增加合金的层错能，然后降低层错能，层错能变化的转折点对应于0 3 n 。实验结果表 明【3 3 】，在f e 2 2 m n x c 合金中c 对层错能的作用与nj 下好相反，它先降低层错能，然 后是增加。 化学成分是影响t w i p 钢基体组织的关键因素，为了获得室温下单一的奥氏体组织， 必须降低m s 点，m s 越低，奥氏体越稳定。由m s ( ) = 5 6 1 - - 4 7 4 ( c ) - 3 3 ( m n ) 一1 7 ( n i ) 一1 7 ( c r ) - - 2 1 ( m o ) 1 3 4 1 可知，提高c 是降低m s 点的最有效方法。 但高c 会带来钢板冷热加工和焊接等一系列问题，因此可提高m n 、s i 含量以降低m s 点，从而使其m s 点降到室温以下，最终组织为全奥氏体。 另外，m n 是扩大f e c 相图y 触相域的最有效元素之一，降低a c l 、a c 3 【3 5 】，文献表 明【2 5 】，当钢中的m n 含量大于1 2 时，在通常的冷却条件下，从上临界点降低到室温以 下时，钢能够保持单一的奥氏体组织；s i 抑制渗碳体的形成和析出【3 6 】，同m n 的作用相 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 反s i 缩小y 缸相区，使a c l 、a c 3 升高。奥氏体的机械稳定性的高低取决于m s o 点的高 低，故所有降低m s a 点的因素都能提高奥氏体的机械稳定性。 有文献吲提出可用m s a 来表示奥氏体的机械稳定性。m s o 点表示在某一应力状态下 马氏体刀：始相变的温度。在m s o m s 之间j , i - , d n 应力作为相变自由能差的附加部分，当叠 加数值达到临界相界驱动力时就能产生马氏体相变，这是应力协助形核的结果，即应力 诱发马氏体相变；在m s o - m a 之间，随温度升高两相自由能差减小，必须以大的应力才 能形核，而同时随温度升高，奥氏体的屈服强度下降，因此形成马氏体时所需的应力往 往超过母相的屈服点，母相进行范性形变诱发马氏体的形核，即应变诱发相变。 t w i p 钢成分设计要求是，在其形变过程中诱发孪晶，抑制马氏体相变，从而产生 t w i p 效应。成分设计的原理是基于层错能。低的层错能( _ 2 0 m j m 2 ) 抑制这种相变3 引。因此，高层错能的合金倾向 机械孪晶的形成来取代马氏体相变。合金元素a 1 增加层错能，强烈抑制y 缸寸马氏 体相变【39 1 。与之相反，合金元素s i 减小层错能，因而在冷却和形变过程中有利于 厂肛专马氏体相变【4 0 1 ，使具有退火孪晶的奥氏体t w i p 钢在拉伸过程中形成形变孪 晶，产生t w i p 效应，最终获得高塑性、高强度的良好的综合力学性能。 1 4 2 热处理的影响 目前国内外对t w i p 钢的研究工作处于实验室阶段，尚未进行工业化生产，为进一 步深化对t w i p 钢力学性能和组织变化规律的了解，需要研究不同退火温度对于t w i p 钢性能的影响，通过显微组织和力学性能分析，总结t w i p 钢的热处理工艺，为今后 t w i p 钢的进一步开发，取得更好的综合力学性能提供参考。 高锰钢的固溶处理是将高锰钢加热到奥氏体化的温度，并保温一定时间，然后在水 中快速冷却，形成单一的奥氏体组织，使其强度和韧性大大提高，达到可加工硬化的目 的。与普通碳钢不同，高锰钢在水中淬火后不是变硬，而是变软了，因此高锰钢的热处 理又叫水韧处理。高锰钢固溶处理的参数主要有入炉温度、升温速度、保温温度、保温 时间、摆放位置等。 热处理工艺中加热的温度、保温时间和冷却方式对t w i p 钢的性能有较大的影响， 增加保温时间，有利于延伸率的提高，而强度的变化并不是很明显。这是由于随退火时 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 间的增加，退火孪晶数量及退火孪晶界的面积都有所增加。退火孪晶界的产生有利于增 加其他特殊晶界( c s l 晶界) 的数量，有效地断开随机晶界的连通性，使得材料在断裂 的过程中，裂纹无法沿随机晶界继续扩展，从而提高了材料的断裂韧性。因此，t w i p 钢原始组织中的c s l 晶界和退火孪晶是影响t w i p 钢性能的关键因素，通过改变热处理 制度，从而增加c s l 晶界( 包括孪晶界) 的数量，可以显著提高t w i p 钢的性能。 退火时间的增加使得奥氏体晶粒明显长大，其内部的孪晶比较发达。孪晶界属共格 晶界，其能量远远低于普通的大角晶界，退火孪晶的生成降低了总的界面能【