超高强含铝中锰钢的强韧化机制及组织调控

1、超高强含铝中锰钢的强韧化机制及组织调控日益增长的节能环保要求正不断推动着汽车轻量化进程 , 相较镁铝等轻质材 料, 汽车用钢面临着全流程绿色生产、高强高塑及优良成形性等多方面的挑战。 以中锰钢和淬火&配分(Q&P)钢为典型代表的第三代先进高强钢(AHSS在汽车轻 量化材料中具有良好的竞争力。本论文主要从第三代AHSS的关键相一一亚稳态残留奥氏体的设计出发，结 合中锰钢的奥氏体逆转变退火(ART)工艺及Q&P工艺,设计并制备了具有高残留 奥氏体含量的超高强含铝中锰钢 ,系统性探索残留奥氏体含量、形态、尺寸及周 围基体相的分布与其相变诱导塑性 (TRIP) 效应的相互关系

2、, 实现低成本、简工序 的超高强(抗拉强度>1300MPa,强塑积>35GPa %含铝中锰钢的组织调控及 强韧化机制研究。 低成本无微合金元素的 “C-Si-Mn-Al ”系成分设计及短工序低 能耗的制备流程为汽车轻量化提供了优质的选材。采用 0.3C-1.5Si-4Mn,wt.% 为基本合金体系 , 利用梯度铝含量 (124,wt.%) 调控中锰系钢的临界区温度及工艺窗口 ,实现超高强度的基体组织设计 , 即“铁素 体+残留奥氏体”的含铝中锰TRIP钢及“铁素体+回火马氏体+残留奥氏体”的含 铝中锰淬火及回火配分(IQ-TP)钢。采用扫描电镜SEM透射电镜TEM电

3、子背 散射衍射EBSD X射线衍射仪XRD等显微组织形貌表征技术及相分析手段,结合 原位变形技术系统性分析超高强含铝中锰钢的多元复合组织构成、 应变协调性及 强韧化机制；同时借助于电子探针EPMA分析宏观元素偏析行为,利用Thermo calc'DICTRA热力学动力学软件及原子探针层析术(APT)等深层次揭示微观元素 配分规律 ; 合理调控临界区奥氏体化温度、加热速率、冷轧压下率等工艺参数 ,实现残留奥氏体及其他基本相的最优化配置 , 改善或消除中锰系钢中的屈服平台 及PLC塑性失稳现象。相应的研究结果分别如下 : 相图计算及膨胀仪热模拟结果表明 ,Al 元素有效拓宽了临界区温度工艺

4、窗口 QICTRA软件对具有相同平衡态两相比例临界区奥 氏体化过程的元素配分模拟显示 Al 元素的添加显著提升了合金元素 ( 尤其是有 利于锰铝等置换元素 )的扩散效率 ,有助于残留奥氏体中碳锰元素的富集与稳定 ;高铝添加导致S铁素体存留至室温，降低了含铝中锰TRIP钢抗拉强度的同时消 除了 PLC现象；原位拉伸SEM中S铁素体内大量交错的位错滑移带证明了其良好 的应变协调性。临界区奥氏体化温度通过调控临界区奥氏体比例实现含铝中锰钢 的多元强度级别设计。相较含铝中锰TRIP钢而言,以回火马氏体组织为主要基体“骨架”的含铝中 锰IQ-TP钢展现出更高的屈服强度；XRD和APT检测到残留奥氏体内的

5、碳锰元素 富集、相界面处锰铝元素的偏聚等现象证明了回火配分阶段合金元素的局部平衡 (LE) 。 IQ-TP 工艺下临界区奥氏体化及回火过程两阶段的元素配分促进了残留 奥氏体碳锰元素的富集 , 同时回火马氏体组织切割细化了残留奥氏体晶粒进一步 增加了其稳定性 , 因而含铝中锰 IQ-TP 钢表现出优异的力学性能。以4Mn1AI钢为例,其热轧IQ-TP钢，抗拉强度达1425土 43MPa同时延伸率25.9 ± 3.8%,均明显优于含铝中锰TRIP钢抗拉强度1345MPa延伸率18.9%的最优 力学性能。而4Mn2Al热轧IQ-TP钢抗拉强度达1319± 39MPa延伸率27.4

6、 ± 1.1% 膨胀仪组织热模拟及EPMA成分分析证实了含铝中锰TRIP钢冷轧退火组织的 异常长大现象受控于锰铝元素偏析下关键温度区间的加热速率。富Al贫Mn区抑制了奥氏体的形核 ,慢加热速率为形变马氏体的再结晶行为及晶粒长大提供了充分的动力学条件超细晶冷轧含铝中锰TRIP钢由于其较小的位错运动平均自由程，具有明显 的屈服平台。异常长大的铁素体带提供了应变初期较高的加工硬化率 , 有利于缩 短材料的屈服平台延伸率。而含铝中锰IQ-TP钢由于马氏体组织及几何必要位错的存在呈现出连续屈 服特征。含铝中锰IQ-TP钢的塑性主要源于软相板条形态铁素体的“润滑剂” 效应以及残留奥氏体的持续性 TRIP效应。利用原位EBSD核内平均取向差KAM分析及TEM表征技术分析塑性变形过程 中残留奥氏体的转变及铁素体内位错组态变化。冷轧IQ-TP钢中等轴态大尺寸块状残留奥氏体组织在低应变阶段的转变导致大尺寸铁素体晶内的 “爆发式”几 何必要位错（GND）增长、界面附近的应力集中,恶化了力学性能。而热轧IQ-TP钢中更高稳定性的板条形态残留奥氏体及细长的板条铁素体 促进了持续性的TRIP效应及塑性变形过程中位错的均匀分布。采用低冷轧压下 率（