（材料加工工程专业论文）twip钢薄板激光和tig焊接行为研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 t w i p 钢薄板激光和t i g 焊接行为研究 摘要 为了满足快速发展的汽车领域对减自重 降油耗 低排放 更安全等 方面的更高要求 钢铁业界同仁正在努力进行改革和创新 研究开发具有 更好综合性能的新钢种 t w i p t w i n n i n g i n d u c e dp l a s t i c i t y 钢具有极高的 塑性 高的应变硬化率和高的强度 它的冲击吸收功是普通高强钢的两倍 这些优良的性能可以很好地满足现代汽车工业的要求 因此 t m p 钢在未 来的汽车领域具有非常广阔地应用前景 焊接工艺过程节省金属 生产率高 产品质量好 且大大地改善劳动 条件 所以广泛应用于机械制造领域 据工业发达国家统计 每年有占总 量4 5 左右的钢材需要进行焊接加工之后才能使用 因此研究t w i p 钢的 焊接性能很有必要性 本文选用厚度为1m m 的三种不同成分含量t w i p 钢 板 采用5 0 0 w 脉冲n d y a g 固体激光器和全自动t i g 焊机分别进行焊接 通过对焊接接头进行显微组织观察 拉伸 杯突 断口扫描 显微硬度 x 3 射线衍射分析 电化学腐蚀实验 研究了焊接接头显微组织和性能 比较 了两种焊接工艺对t w i p 钢焊接接头综合性能影响 主要结论如下 1 对激光焊后的三种t w i p 钢板材 编号为1 2 和3 焊接接头 进行组织性能对比分析可得 三种板材激光焊接接头宏观焊缝为上宽下窄 并以焊缝中心为基准的对称分布 热影响区均不明显 焊缝中心形成较细 小的等轴晶 在焊缝与熔合线接触的位置形成方向较一致的柱状晶 焊缝 成形良好 三种板材激光焊接接头水平方向硬度分布趋势大致相同 在焊 缝区硬度最高 在热影响区硬度值最小 3 板材基体硬度最大 为18 0 h v 在焊缝深度方向上 三种板的焊缝硬度值呈 u 形走势 1 群底层硬度最大 太原理工大学硕士研究生学位论文 为4 3 2 h v 2 5 f i3 表层硬度最大 分别为4 2 2 h v 和4 0 0 h v 经过拉伸实 验 2 板激光焊接接头断裂在近缝的母材处 1 和3 激光焊接接头在焊缝 处断裂 三种激光焊接接头经过拉伸后的弹性变形阶段都不明显 断裂时 均无明显颈缩现象 通过实验测定2 强塑积最大 为4 1 31 0 m p a 2 激 光接头性能最优越 l j i 和2 激光焊接接头拉伸断口均为韧性断裂 3 激光 焊接接头表现为脆性断裂 经过杯突实验得到1 和2 母材及激光焊接后的 焊缝塑性变形能力相对与3 都要优越 2 对三种t w l p 钢板材t i g 焊焊接接头进行组织性能对比分析可得 1 试样t i g 焊焊缝中心的组织为细小的等轴晶 2 和3 群则均为典型胞状树 枝晶 l 和2 t i g 焊焊缝硬度值相差不大 约为1 6 5 h v 均高于3 焊缝硬 度 经过拉伸实验 1 j f j 2 t i g 焊接接头在热影响区断裂 而3 在焊缝处 断裂 三种板材断裂时均未发生颈缩现象 且三种焊接接头抗拉强度均小 于母材 2 t i g 焊接接头断口表现为韧性断裂 1 5 f i3 表现为脆性断裂 1 和2 t i g 焊接后的杯突值增大幅度相当 3 t i g 焊接后杯突值增大幅度 最大 t i g 焊接接头的冲压性能良好 3 通过对2 板材激光焊和t i g 焊接接头进行对比研究 结论如下 t i g 焊试样的塑性变形能力远低于激光焊试样 激光焊接接头的平均显微 硬度比t i g 焊接接头的平均硬度高 t w l p 钢经过激光焊和t i g 焊后均无 新相产生 仍然保持单一奥氏体组织 母材经过焊接后腐蚀速率变慢 经 过t i g 焊后的板材抗腐蚀性能最好 关键词 t w i p 钢 激光焊 t i g 焊 显微组织 力学性能 腐蚀 i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e s e a r c ho nt w i ps t e e ls h e e tl a s e ra n dt i g w e l d i n gb e h a v l o r a b s t r a c t i no r d e rt os a t i s f yt h eh i g h e rd e m a n d so ff a s t g r o w i n ga u t o m o b i l e s u c ha s r e d u c i n gw e i g h t i n d u c i n gt h e o i l c o n s u m p t i o n l o w e r i n gt h ee m i s s i o na n d a d d i n gs e c u f i t y c ol l e a g u e so fs t e e li n d u s t r ya r es p a r i n gn oe f f o r tt oh a v er e f o r m a n di n n o v a t i o n a sar e s u l tan e wt y p eo fs t e e lw h i c hh a sg r e a t e rc o m p r e h e n s i v e p r o p e r t i e si sd e v e l o p e d t w p t w i n n i n g i n d u c e dp la s t i c i t y h a sh i g hp l a s t i c i t y s t r a i nh a r d e n i n gr a t ea n di n t e n s i t y b e s i d e s t h ei m p a c ta b s o r b i n ge n e r g yoft h i s s t e e li st w i c et h a to fc o m m o n h i g h s t r e n g t hs t e e l t h e s es u p e r i o rp e r f o r m a n c e s c a nw e l lm e e tt h ed e m a n d so fm o d e ma u t o m o b i l ei n d u s t r y t h e r e f o r e t w l ph a s w i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t si na u t o m o t i v ef i e l di nt h ef u t u r e t h ew e l d i n gp r o c e d u r ep r o c e s sw h i c hh a sh i g hp r o d u c t i v i t ya n de x c e l l e n t p r o d u c tq u a l i t yc a ns a v em a t e r i a l sa n di m p r o v ew o r k i n gc o n d i t i o n sd r a s t i c a l l y s oi ti sw i d e l yu s e di nt h ef i l e do fm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n g a c c o r d i n gt ot h e s t a t i s t i c so f i n d u s t r i a l l yd e v e l o p e dn a t i o n s s t e e l st h a tc a nb eu s e da f t e rw e l d i n g m a k eu pf o r t y f i v ep e r c e n to fa l ls t e e l s f o rt h i sr e a s o n i ti sv e r yn e c e s s a r yt o c o n d u c tar e s e a r c ho nt h ew e l da b i l i t yo ft w ip t h ea u t h o rc h o o s e dt h r e et m p s t e e lp l a t e sw i t ht h i c k n e s so f1m m w h i l et h ei n g r e d i e n t sw e r ed i f f e r e n t a n d u s e dt h e5 0 0 wp u l s e ds o l i dl a s e ra n dt h ea u t o m a t i ct i gw e l d i n gm a c h i n et o w e l dt h et 姗ps t e e lw i t ht h et h i c k n e s so f1m m u s i n go b s e r v a t i o no ft h e m i c r o s t r u c t u r e s t r e t c h i n g c u p p i n g f r a c t u r es c a n n i n g m i c r o h a r d n e s st e s t x r a y d i f f r a c t i o n e l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o nt e s t t h ea u t h o r e x p l o r e d t h e m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fw e l d e dj o i n t sa tt h es a m et i m ec o m p a r e dt h e s e t w ow e l d i n gt e c h n o l o g i e s e f f e c to nc o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e so ft w i p t h e l l i m a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s 1 t h r e ek i n d so ft 姗ps t e e l sw h i c hw e r ew e l d e db yl a s e rw e r en u m b e r e d l 2 a n d3 t h r o u g hc o m p a r i n gt h es t r u c t u r ep r o p e r t yo fw e l d e dj o i n t so f t h e s et h r e es t e e l s t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o nc a i lb ed r a w n l a s e rj o i n t s m a c r o w e l d so ft h et h r e es t e e l sa r ew i d ea tt h et o pa n dn a r r o wa tt h eb o t t o m b a s e do n t h ec e n t e ro fw e l d s t h e yd i s t r i b u t e ds y m m e t r i c a l l y a l lo ft h e mh a v el e s s n o t i c e a b l eh e a ta f f e c t e dz o n e s h a z i nt h ec e n t e ro ft h ew e l d sa p p e a rs m a l l e q u i a x e dc r y s t a l s c o l u m n a rc r y s t a l sw i t ht h es a m ed i r e c t i o nf o r mi nt h ep l a c e w h e r ew e l d sm e e tf u s i o n1 i n e sf o r m s w e l d e d o i n t ss h a p ew e l l t h ed i s t r i b u t i o n t r e n d so fh a r d n e s so ft h e s ej o i n t sw e r em u c ht h es a m ei nah o r i z o n t a ld i r e c t i o n t h eh a r d n e s sn u m b e rw a sh i g h e s ti nt h er a n g eo f w e l d i n gc e n t e r l i n e a n dw a s 1 0 w e s ti nt h eh a z t h em a t r i xh a r d n e s so f3 群w a st h eh i g h e s ta s18 0 h vi nt h e w e l dd e p t h t h e i rh a r d n e s sn u m b e r sa l la p p e a ru s h a p e 1 挣h a st h eh i g h e s ta tt h e b o t t o m 4 3 2 h v 2 j f a n d3 h a v eh i g h e s th a r d n e s sa tt h et o p t h e ya r e4 2 2 h v a n d4 0 0 h vr e s p e c t i v e l y a r e rs t r e t c h i n g t h el a s e rw e l d e djo i n to fn u m b e r2 f r a c t u r e di nt h en e a rl i n e s e c t i o no ft h em a t r i x w h i l ef o rn u m b e r1 a n dn u m b e r 3 j j w e l d e djo i n t sf r a c t u r e di nt h ew e l d i n gc e n t e r l i n e t h ee l a s t i cd e f o r m a t i o n s t a g e so ft h r e ew e l d e dj o i n t sa r en o to b v i o u sa n dh a v en oa p p a r e n tn e c k i n g p h e n o m e n aw h e nf r a c t u r i n g e x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tt h ep r o d u c to fs t r e n g t h a n dd u c t i l i t yo fn u m b e r2 w a st h eb i g g e s t 41310 m p a t h e r e f o r e n u m b e r 2 群h a ds u p e r i o rl a s e rj o i n t s t h ej o i n t s t e n s i l ef r a c t u r eo f1 a n d2 fw h i c hw e r e w e l d e db yl a s e rb e l o n gt ot h ed u c t i l ef r a c t u r e o nt h eo p p o s i t e3 f i w a sb r i t t l e f r a c t u r e t h er e s u l tc a nb eo b t a i n e dt h r o u g hc u p p i n gt e s tt h a tn u m b e r1 a n d2 j f i w e r es u p e r i o rt o3 f r o mt h ep e r s p e c t i v eo f m a t r i xa n dw e l d i n gl i n e sp l a s t i c i t y d e f o r m a t i o na f t e rl a s e rw e l d i n g 2 t h r e ek i n d so ft m ps t e e l sw h i c hw e r ew e l d e db yt i gt h r o u g h c o m p a r i n gt h es t r u c t u r ep r o p e r t yo fw e l d e dj o i n t so ft h e s et h r e es t e e l s t h e f o l l o w i n gc o n c l u s i o nc a nb ed r a w n t h et i gw e l dc e n t e ro ft h eo r g a n i z a t i o no f n u m b e r1 w a st h es m a l le q u i a x e dg r a i n s w h i l ef o rn u m b e r2 a n dn u m b e r3 b o t hw e r et h et y p i c a lc e l l u l a rd e n d r i t e t h et i gw e l d e dj o i n t s h a r d n e s so f t h e n u m b e r1 w a ss i m i l a rt o2 a s16 5 h v h i g h e rt h a nt h en u m b e r3 萍 a f t e rt e n s i l e t e s t t h et i gw e l d e dj o i n t so fn u m b e r1 a n d2 f r a c t u r e di nt h eh a z w h i l e f o rn u m b e r3 w e l d e dj o i n t sb r e a ki nt h ew e l d i n gc e n t e r l i n e t h r e ew e l d e d j o i n t sh a dn oa p p a r e n tn e c k i n gp h e n o m e n aw h e nf r a c t u r i n ga n dt h e t e n s i l e s t r e n g t hw e r el e s st h a nt h eb a s em e t a l t h et i g w e l d e djo i n t s t e n s i l ef r a c t u r eo f 2 挣b e l o n gt ot h ed u c t i l ef r a c t u r e o nt h eo p p o s i t e1 群a n d3 w e r e b r i t t l ef r a c t u r e t h ee r i c h s e nv a l u eo fn u m b e r1 a n dn u m b e r2 i n c r e a s es u b s t a n t i a l l yq u i t e w h i l et h en u m b e r3 弹i n c r e a s e dm a x i m u m t h et i gw e l d e dj o i n t ss t a m p i n g p e r f o r m a n c ew e r eg o o d 3 t h r o u g hc o m p a r i n gt h es t r u c t u r ep r o p e r t yo ft h e2 w h i c hw e l d e db y l a s e rw e l d i n ga n dt i gw e l d i n g t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o nc a nb ed r a w n t h e p l a s t i cd e f o r m a t i o nc a p a b i l i t yo ft i gw e l d i n gs p e c i m e n sw a sm u c hl o w e rt h a n t h el a s e rw e l d i n gs p e c i m e n s t h ea v e r a g em i c r o h a r d n e s so fl a s e rw e l d i n g j o i n t s w a sh i g h e rt h a nt h et i gw e l d i n g j o i n t s n e wp h a s ew a s n td i s c o v e r e di nt w i p s t e e lw e l d e db yl a s e rw e l d i n ga n dt i gw e l d i n g a n dr e m a i n e df u l l ya u s t e n i t e s t r u c t u r e t h ec o r r o s i o nr a t eo fm a t r i xw i t hw e l d i n gs l o w e dd o w n a n dt h e c o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h et i g w e l d i n gs a m p l ew a st h eb e s t k e yw o r d s t w i ps t e e l l a s e rw e l d i n g t i gw e l d i n g m i c r o s t r u c t u r e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s c o r r o s i o n v 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 前言 第一章绪论 近年来 世界上越来越多的工业大国都以汽车制造业作为本国主体经济的支柱产 业 然而世界范围内的石油危机以及人们对汽车安全性能要求的不断提高促使汽车制造 业向着减轻汽车重量提高车身强度的方向发展 所以在汽车生产制造所需结构材料的研 究中 减重 降耗 提高车身安全性能日益成为人们关注的课题 一方面每减轻1 的 车身重量 所要消耗的燃料可降至o 6 1 o 另一方面减轻车身重量可以有效地降低 二氧化碳的排放量 因此 减轻占有车身重量一半以上的汽车钢板部件是汽车降低油耗 的重要途径之一 约占5 0 p a a t 1 1 而使用高强汽车薄规格钢板减轻汽车自身重量 2 1 是现代汽车制造业中车身用板的重点发展趋势 减轻车身重量并增加汽车安全性能的主要途径就是大力开发使用高强度钢板 t w i p 钢 双相钢等 用高强度钢板来替代之前大量使用的低碳钢 高强钢具有较强 的抗撞击性能 并且具有很高的冲击吸收功 已广泛用于制造车门槛 底盘 保险杠 防撞钢梁 汽车轮毂等的部件 3 1 高强度钢板在发达国家汽车制造业中的使用量已经超 过所使用钢板总量的3 0 并且形成了不同级别强度的系列 4 目前 高强度汽车用钢已经成为新时期汽车工业发展的一个主导趋势 同时在汽车 生产过程中良好的成型性同样是必不可少的 近几年发现的高锰t w i p 钢 t w i n n i n g i n d u c e dp l a s t i cs t e e l 具有良好的塑性和强度 其吸收撞击能量的能力是普通高强钢的2 倍 5 8 1 作为汽车用钢在性能上具有很大的优势 是未来汽车工业用钢延性高强钢发展 的一个方向 各类汽车钢板伸长率和屈服强度的关系如图1 1 所示 从图中可以明显看出各类汽 车钢材随着屈服强度的提高伸长率都在减小 在超高强度钢板里面的t w p 钢其屈服强 度大于5 5 0 m p a 并且在具有高屈服强度的同时保持了良好的伸长率 太原理工大学硕士研究生学位论文 摹 4 d 褂 熏3 a 烈 2 0 口 o i f 无间隙原子钢 m i l d 低碳铝镇静钢 h s s i f 高强度l f 钢 b h 烘烤硬化钢 i s 各向同性钢 c m n 碳锰钢 i t s l a 高强度低合金钢 d p 双相钢 c p 复相钢 t r i p 相变诱发塑性钢 m a r t 马氏体钢 t w i p 孪晶诱发塑性钢 s t a i n l e s s 不锈钢 bs t e e l 热冲压用钢 屈服强度 m p a 图1 1 各类汽车钢材的伸长率和屈服强度的关系 9 f i g 1 1t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne l o n g a t i o na n dy i e l ds t r e n g t hi ns o m ek i n do fc a rs t e e l s 9 t w i p 钢的最大特点是 在保持高抗拉强度的同时 具有极高的均匀伸长率 很高 的能量吸收能力及优良的成型性 此外 它几乎没有低温脆性现象 t w i p 钢显示出很 大的应用潜力 其发展正处于试验研究向产业转化的阶段 它的出现为高强度和优塑性 不能兼得这样一个难题找到了答案 为未来汽车工业的发展指明了方向 1 2t w i p 钢的发展历程 r o b e r t 1 0 1 在1 8 8 8 年发明了高锰t w i p 钢 而如今t w i p 钢已经成为汽车用钢中最具 吸引力的材料之一 由于其具有特殊的结合强度和伸长率所以被广泛的应用在汽车工业 结构材料中 图1 2 是高锰奥氏体钢的出版物和专利数在过去1 0 年间的数量变化 图 中显示 从t w i p 钢被发明到2 0 0 6 年间 相关的出版物和专利数量在一个较稳定的范 围内波动 从另一个角度反映出这一段时间人们对于高锰奥氏体钢一直处于普通的研究 进程中但并没有表现出对此领域更多的关注 直到2 0 0 6 年以后对这类特殊奥氏体钢的 研究才出现显著增加 与这类钢相关的科学出版物和专利数量的显著增加表明此类钢种 已经引起了国内外学者的广泛关注 因此 我们将对t w i p 钢近几年的发展和应用进行 一定的了解 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 删 鼎 s 蛏 丑 时间 年 图1 2 与高锰奥氏体钢相关的出版物和专利数在过去1 3 年间的数量变化 f i g 1 2e v o l u t i o no ft h en u m b e ro fd u b l i c a t i o n sa n dp a t e n t sr e l a t e dt oh i g hm a n g a n e s ea u s t e n i t i cs t e e l sf o r s t r u c t u r a la p p l i c a t i o n sf o rt h el a s t1 3y e a r s r o b e r th a d f i e l d 和h o w e 11 3 在18 8 8 年发现高锰t w i p 钢以后 开启了对此类高锰奥 氏体钢冶金学的研究 在1 9 2 9 年 h a l l 1 2 和碰v o b o k 分别对h a d f i e l d 发现的这种钢 进行了较为详细的显微组织论述 两人一致表明只有在温度高于5 0 0 c 时淬硬后才能获 得完全奥氏体组织 1 9 3 6 年 有研究表明 产生完全奥氏体的条件是碳和锰的含量应遵 循 w t m n 1 3 w t c 1 7 1 1 1 9 3 5 年 c h e v e n 盯d 1 4 考虑到在室温条件下塑性变形时微观结构的演变 因而第一 个提出了变形中有硬质相形成的假设 此假设是基于对硬化加工的奥氏体高锰钢的研 究 之后 t r o i a n o 和m c g u i r e 总结 15 1 二元f e m n 合金机械变形过程中奥氏体转变为马 氏体分为两种不同的方式 因而得到的马氏体包括s 马氏体和矗马氏体 s c h m i d t 在锰含量 为12 2 9 w t 的f e m n 合金中发现了六角形 相 1 6 在1 9 5 0 年 研究者们通过x 射线衍射发现在不含 马氏体的奥氏体高锰钢中存在高应 变硬化现象 在光学显微镜下除了出现面缺陷外还发现t y 髟变孪晶的存在的可能性 1 7 几年后 科学家们通过t e m 正式确认了形变孪晶的存在 同时指出 即使塑性变形达到 3 5 奥氏体高锰钢的滑移线按一定方向相互交错也无偏差 1 8 如图1 3 所示 得到结论 由于位错的交叉滑移十分困难致使产生面滑移 从而导致了这些合金中的高应变硬化行 为 有人指出 对于位错 低的层错能和碳偏析是产生这种滑移模式的原因 然而这些 滑移带可能被人误解为孪晶 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 图1 3 奥氏体高锰钢3 5 的塑性变形以后的滑移线相互交叉 1 9 f i g 1 3s l i pl i n e sc r o s s i n ga f t e r3 5 p l a s t i cs t r a i ni nh a d f i e l ds t e e l t l 9 2 0 世纪7 0 年代 人们研究较多的合金和奥氏体高锰钢相比含有更多的锰和更少的碳 例 t l i f e 1 8 2 0 m n 0 5 c 2 0 o 通过对位错塞积观察表明滑移带并非孪晶晶界 r n y 首先提 出了孪晶界也可以阻碍位错的滑移 在 1 9 6 c 下3 0 m n 5 a 瑚 5 c 的抗拉强度为1 2 0 0 m p a 伸长率可达7 0 人们发现在低温下这些优异的性能和合金中的孪晶有着密切的联系 2 9 0 年代早期 韩国k o r e a np o s c o 公司发表了第一个相关专利 该专利通过修改成分达到 在室温下转移f e 2 5 m n 1 5 a l 0 5 c 0 1 n 钢中孪晶的目的 f e 2 5 m n 一1 5 a 1 0 5 c 一0 1 n 钢 也首次被作为高性能钢冲压件应用在汽车上 1 9 9 5 年 p o s c o 继续了这方面的研究并申请 了一系列专利 只有p o s c o 的专利在全球范围内的得到了延伸 而日本钢铁制造商对此领 域的研究紧局限于本国 2 0 世纪9 0 年代之后涉入此领域的欧洲钢铁企业不断增加 德国 的t h y s s e n k r u p p 公司和d i i s s e l d o r fm a xp l a n c ki n s t i t u t e 公司也申请了这个领域的一些专 利 f r e n c hs t e e l m a k e ru s i n o r 公司也很快开始了这方面的研究 自那时以来 第一个十年 我们看到专利数量的增长如图1 2 所示 通过技术创新研去铸造更高合金含量的t w i p 钢 带 例女1 1 s a l z g i t t e r t f l l c o r u s 提出水平直接铸造 汽车生产制造商 戴姆勒 本田汽车公司 也在努力实现t w i p 钢的产业化 同时寻求更好的加工工艺和冶金技术来满足汽车结构用 钢的要求 1 3t w i p 钢合金元素对性能的影响 合金元素对t w l p 钢的影响一直以来都是研究和关注的重点问题 当前的研究方向 主要是提高t w l p 钢的成型及加工性能 以及各元素与t w i p 效应之间的关系 一般的 合金元素都能不同程度的增加奥氏体的稳定性 奥氏体的层错能随合金元素的种类数量 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 一起变化 奥氏体层错i i i i 高低直接影响马氏体相变方式 当层错台e 2 0 m j m 2i i i i i i i i l i i 市i 变i l i i i 1 3 1c c 元素在t w i p 钢中的作用主要表现在两方面 一是 经固溶处理之后c 元素能够 得到单相奥氏体组织 为提高t w i p 钢的强度和韧性提供条件 另一方面 c 是奥氏体 稳定化元素 故可通过对t w i p 钢的固溶强化来提高其综合力学性能 2 2 但是 c 元素 的含量并非越高越好 过高含量的c 在热处理之后可能会对钢的性能造成负面影响 研 究表明 t w i p 钢中的c 含量控制在不高于o 1 w t 时 能使其强塑积达5 0 0 0 0 m p a 2 3 1 3 2m n 作为t w i p 钢的另一主要合金元素 锰元素能够扩大相图中的y 相区 起到稳定奥 氏体组织的作用 2 4 1 并且能够提高t w i p 钢的堆垛层错能 而高的堆垛层错能倾向于形 成机械孪晶 25 1 从而抑制马氏体相变的产生 其含量的增加还能够促使层错能提高至 2 0 m j m 2 以上 此外 随着t w i p 钢中m n 的增加 t w i p 钢组织由珠光体逐渐转变为马 氏体 最后趋向于转变为单一组织的奥氏体相 有研究显示 其含量的变化对于堆垛层 错能的影响如图1 4 所示 在锰元素含量逐渐增加的趋势下 层错能的变化曲线似抛物 线 达到一个最低值后再逐渐升高 此外 锰还是优良的脱硫剂和脱氧剂 在钢材中添加锰元素 一方面保证了韧性的 同时使材料具备高强度和高硬度 另一方面使得钢材的淬透性有所提高 进而提高了其 热加工性能 但对钢的耐蚀特性和焊接性能有弱化的影响 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 3a l 连 耋 囊 矗缰丑 a 毫 图1 4 合金钢中锰含量与层错能的关系0 2 6 2 8 j f 培1 4t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a n g a n e s ec o n t e n ta n ds t a c k i n gf a u l te n e r g yi ns t e e l 2 6 2 8 铝元素在t w i p 钢中也起着重要的作用 铝元素能够提高层错能 抑制相转变y 的发生 促进形变孪晶的形成 从而转变为稳定的单一奥氏体相 h a m a d a 2 9 等研究了 t w i p 钢中铝元素对钢的拉伸性能和热变形的影响 研究结果显示 铝元素能够延迟动 态再结晶 细化奥氏体晶粒 同时提高t w i p 钢的热变形抗力 此外 铝的低电位也能 显著提高钢的抗氧化性和耐蚀性 但是钢中铝含量较高时会对钢的浇铸性能 焊接性能 切削加工性能和热加工性能产生负面影响 1 3 4s i 在变形过程中 硅会使面心立方结构相的数量降低 促进马氏体转变 然而 由于 s i 含量的增加对t w i p 钢的产业化起到负面效果 所以目前基本以3 w t s i 含量为研究 对象 并在逐步探索其替代元素 在t w i p 钢中 硅元素的存在可以通过固溶强化起到提高奥氏体强度的作用 通过 固溶强化 s i 含量每增加1 t w i p 钢的强度提高5 0 m p a 有研究表显示 在f e 一2 7 m n 中加入的硅含量在2 时 可以降低奥氏体的层错能 从而提高材料中层错的数量 层 错能的降低 有利于冷却和变形过程中y f c c s h c p 的转变 3 0 1 g r a s s e l 等人 6 1 研究也证 实了s i 元素能够提高y 相耐 相的转变几率 但硅元素又通过改变碳元素在奥氏体中的 溶解度而影响钢的力学性能 综合研究得到t w i p 钢最佳的s i 含量为3 w t 左右 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 4t w i p 钢的可塑性机理 1 4 1t w i p 钢的成型性 2 0 0 5 年 c o r n e t t e 1 8 1 和同事对t w i p 钢f e 2 2 m n 0 6 c 的成型性能进行了全面研究 他们指出 t w i p 钢与其他等效强度高强钢和塑性钢相比 冲压形成复杂形状试件的能 力更优越 如图1 5 文酬3 1 1 提出了这种钢成型性的另外一个例证 给出了一个汽车零 部件结构的模型 如图1 6 t w i p 钢还具有好的抗弯性 然而 它们承受剪边拉伸的 能力较弱 而承受的抟伸强度大于10 0 0 m p a 6 0 5 0 售 暑如 划 耀3 斗 昭2 o 1 0 o l s l a3 2 0d p5 9 0t r i p8 0 0 d p9 8 0f e m nt w l p 1 0 0 0 图1 5 各钢种冲压破坏时的最大高度 1 8 f i g 1 5m a x i m u mh e i g h to ft h es t e e ls t a m p i n gd e s t r u c t i o n 1 8 7 太原理丁 大学硕十研究生学位论文 图1 6 经过冷冲压得到的汽车结构件模型 3 1 f i g 1 6p r o t o t y p ea u t o m o t i v es t r u c t u r a lp a r tc o l ds t a m p e d 3 l 最近 c h u n g 等人 3 2 1 研究了被称为t w i p 9 4 0 的18 m n 0 5 c 1 5 a 1 钢的成型性能 根据 a s t m e2 2 1 8 0 2 标准 使用半球形穹顶测试手段绘制成成型极限曲线 与强度为6 0 0 m p a 的双相钢 称为d p 6 0 0 i i 比 t w i p 9 4 0 表现出更好的成型性能 成型极限的平面应变特 征点最小值 f l d o 约为0 4 d p 6 0 0 为0 2 5 进一步通过压缩和拉伸缺口试样来研究这种材料的力学性能 同时进行更加复杂的 试验 如深冲和三点弯曲实验 有研究表明 通过实验得出的加载曲线要l k b a r l a t 3 3 提 出的 y l d 2 0 0 0 2 d 数值模拟平面应力 屈服应力函数得出的结果 如图1 7 描述的更 好 s o o 4 0 0 邑3 0 0 枢 辅 l l g 2 0 0 是 1 0 0 o 位移 m m 图l 一7 实验模拟沿轧制方向的三点弯曲负荷曲线 3 2 3 4 3 5 f i 昏1 7e x p 幽e n 锄觚d 妇u l a t e d p u n c 未l o a d 枷c u r v 2 3 4 e s 3 5 i n 龇妞e p o i 小b e n d i n gt e 吼i nm e r 0 1 1 i n g d l r e c t l o n 7 总之 拉伸试验中较高的硬化率和总伸长率表明t w i p s m 有很好的冷成型性 8 太原理 大学硕士研究生学位论文 1 4 2t w i p 钢的层错能 堆垛层错是在没有遵循堆垛顺序堆垛的金属结构中形成的 由于这种堆垛层错使得 晶体自身的周期完整性被破坏 因而它是一种缺陷 同时体系自由能得到了提高 一般 层错能的定义是单位面积发生层错所需能量 不全位错间容易形成层错 在应力作用下 层错由这种不全位错扩展而成 层错能是克服位错弹性的交互作用能所做的功 以往大 多学者的实验数据全是根据这样的关系得到的 而在t w i p 钢中 其合金元素m n 的含量增加时 层错能的变化呈先降后升的趋势 当m n 元素的含量在大约15 a t 时 这时t w i p 钢的层错能出现最低值 f r o m m e y e l 3 6 等研 究表明 在t w i p 钢中m n 含量在1 5 2 0 之间时 层错能不高于1 6 m j m 2 此时发生的 是t r i p 相变诱导塑性 效应 也就是通常所说的马氏体相变 m n 元素的含量增大时 层 错能也随着增大 层错能的增大将抑隹j 1 t r i p 效应的发生 更有利于发生孪生诱导塑性 既容易发生t w i p 效应 从相变自由焓角度分析 层错能反映的是面心立方与密排六方两种结构的能量差 与电子浓度密切相关 从形核机制来分析 层错能是界面能 应变能间的差值 当层错能定为一特定负值 时 这时才发生马氏体相变 3 7 1 4 3 孪晶的作用 人们对t w i p 钢的应变强化效应研究的比较多 在所有可以解释t w i p 钢应变强化 的机制中 孪晶 伪孪晶和位错缠结等 只有对基体中孪晶阻碍位错滑移的行为研究 较多而且比较深入 这主要是由于 1 如果没有孪晶的存在 加工硬化程度非常低 3 8 例如f e 一3 0 m n 合金是仅仅是通 过位错滑移实现均匀伸长的 2 即使固溶体中没有碳 一种合金中的孪晶也能显示出很好的应变硬化行为 3 9 1 另外k i m 等人 4 0 还进一步证实了 能够解释t w i p 钢高应变强化机制的是孪晶而 不是动态应变时效d s a d y n a m i cs t r a i na g e i n g 作者还指出 对f e 18 m n 一0 6 c 1 5 a 1 的总屈服强度来说 d s a 的作用也只有相当少的2 0 m p a 3 5 m m 平行部分宽度1 2 r n m 然后开始 做拉伸试验 记录数据 绘制拉伸曲线 实验完成后要对拉伸断口进行妥善保存以防被 氧化或污染而影响后续的断口观察 图2 1 2t w i p 钢焊接接头拉伸试样尺寸 f i g 2 1 2t h es i z eo f t w i ps t e e lw e l d e d j o i n tt e n s i l es p e c i m e n 按照焊接接头拉伸实验的国际标准d b 2 6 5 1 8 9 将焊接后的三种板材加工成拉伸试 件 加工后的三种片状试样的尺寸如图2 1 2 所示 试样夹持宽度为2 4 m m 夹持端和标 距段采用了半径r 2 5 m m 的圆弧连接 标距为6 0 m m 为了试验结果的准确性 每种板 材试样均制取2 个拉伸试件 试验中设置的拉伸速度为l m m m i n 2 4 3 杯突实验 此实验的操作步骤是先将试样放于垫模和压模之间压紧 调整试验参