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原文传递 TRIP钢微结构—性能的表征与设计

论文题名：	TRIP钢微结构—性能的表征与设计
关键词：	抗拉强度;热处理工艺;热镀锌相变诱发塑性钢
摘要：	TRIP钢是一种兼具高强度、高延伸率的新型高强钢，其优越的性能主要来源于钢中多相组织的合理配比以及伴随马氏体相变诱发塑性。随着我国汽车工业的迅速发展，该钢种逐渐成为汽车用高强度钢板的主流，具有良好的应用前景。目前国内批量生产的最高级别汽车用TRIP钢为宝钢生产的TRIP600，汽车工业的发展迫切需要开发更高强度级别的TRIP钢。为此，国际上已开始生产抗拉强度高于800MPa的超高强度TRIP钢，并且在实验室实现了1000MPa等级强度并具有良好塑性的TRIP钢。为了赶上国际上研究TRIP钢的步伐，我们必须在TRIP钢的组织鉴别和组织设计上开展系统的研究，提高我国自主开发新型TRIP钢的能力。因此，本论文首先探索了行之有效的正确鉴别钢中各相及其含量的方法；随后对残余奥氏体的稳定性及其含量对钢塑性的影响进行了系统研究；最后结合热力学计算对抗拉强度级别设计目标为800MPa和1000MPa两种新型TRIP钢进行成分和热处理工艺设计，通过实验来检验设计思想和方法是否正确，为宝钢高强度TRIP钢生产及开发提供借鉴和理论支持。首先，鉴于钢中微观组织与性能的密切关系，本文利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)以及定量金相法，结合不同的热处理工艺，对传统TRIP钢中的各相含量进行了计算，得到TRIP600钢中各相体积分数为铁素体56.1％，贝氏体27.9％，残余奥氏体16％；依据各相的形貌对TRIP600钢中各相组织进行了透射电子显微镜(TEM)观察。结果发现，铁素体作基体呈等轴晶分布；贝氏体呈条状分布于铁素体或奥氏体晶界；残余奥氏体呈岛状分布于铁素体晶界或晶内，或呈薄膜状分布于贝氏体铁素体条间。岛状残余奥氏体在拉伸过程中发生马氏体相变，观察到形变后的样品中有孪晶型马氏体分布于铁素体晶界。发展了前人用AFM测定各相高度和表面粗糙度来确定各相的方法，成功鉴别了TRIP600和低Si TRIP钢中的多相组织。结果表明，TRIP钢中各相高度从高到低顺序排列依次是马氏体、残余奥氏体、贝氏体和铁素体；各相粗糙度从高到低顺序排列依次是铁素体、贝氏体、马氏体和残余奥氏体。由于残余奥氏体在TRIP钢中起着特殊的作用，本文对TRIP600钢中残余奥氏体的稳定性，尤其是力学稳定性进行了系统的研究。利用电阻法测试该钢中残余奥氏体的M<,s>温度，结果表明，残余奥氏体在-75℃时未发生马氏体相变，说明它具有很好的热稳定性。残余奥氏体力学稳定性的测试采用不同温度下的拉伸试验确定应力作用下的马氏体相变温度，即应力诱发马氏体和应变诱发马氏体转折温度M<,s><'σ>，测得TRIP600钢的M<'σ><,s>温度为-5±5℃左右，然而低Si FRIP钢的M<'σ><,s>温度未能被检测到，其原因很可能是其残余奥氏体量较低(<9％)。采用TRIP600钢在M<,d>温度附近和液氮淬火后的拉伸试验并结合全奥氏体的Fe-23Mn-2Si-2A1 (TWIP)钢的拉伸试验，定量研究了残余奥氏体的TRIP效应对钢延伸率的贡献。结果表明，在所有奥氏体含量大于8％的TRIP钢中，TRIP效应对钢的延伸率贡献均为9％左右，揭示了奥氏体量对塑性的极限贡献值。在另一个兴趣的方面是，应用原子力显微镜(AFM)分别对M<,s>-M<'σ><,s>和M<'σ><,s>-M<,d>温度之间拉伸试样中的马氏体相变表面浮凸角测量，结合Bergeon模型，利用matlab程序编程，对马氏体相变切变角进行计算。结果表明，M<,s>-M<'σ><,s>温度之间拉伸试样中的马氏体相变切变角与WLR理论值符合较好(误差为l<'。>左右)，而M<'σ><,s>-M<,d>温度之间拉伸试样中的马氏体相变切变角偏离较大，达到2.5<'。>。由此表明，M<,s>-M<'σ><,s>温度之间拉伸试样中的马氏体相变属于应力诱发马氏体，其几乎无塑性形变，而M<'σ><,s>-M<,d>温度之间拉伸试样中的马氏体相变属于应变诱发马氏体，其伴随有塑性形变，因此，该设计的研究从实验上揭示了M<'σ><,s>的含意。在研究具有较低层错能的全奥氏体TWIP钢中TRIP效应对塑性的影响时，有时发现TWIP钢中的面心立方奥氏体基体的电子衍射花样，虽然看似fcc的<110>晶带花样，但是各晶面倒易矢量问的夹角总和标准花样偏差不同的角度，难以正确加以标定，这种现象尚未见报道。经过分析，我们认为，这可能是由于fcc金属中的大量平行层错引起衍射斑点偏移引起的。为此，本文结合Kakinoyi理论推导了fcc金属中层错引起衍射斑点偏移的层错几率计算公式，确定了形变Fe-23Mn-2Si-2A1钢中fcc奥氏体衍射斑点的位移是由层错引起，并成功计算了上述合金不同区域中的层错几率；fcc金属中层错的不均匀分布揭示了fcc-hcp相变的机制，即形变导致全位错分解→形成高密度层错→层错的无序排列→层错的有序平行排列→完整的hcp马氏体产生(α=1)或者带有层错的hcp马氏体产生(α→1)。这种相变机制也同样适用于热诱发hcp马氏体相变(降温过程)。为了开发800MPa和1000MPa超高强度的TRIP钢，围绕奥氏体通过晶粒细化和铁素体基体通过弥散析出强化的核心思想进行成分和工艺设计。利用Thermo-Calc和DICTRA软件计算了TRIP钢中主要合金元素C、Mn、Si、Al对Fe-C相图的单一及复合影响，对各主要元素在两相区等温时的扩散行为进行了模拟。结果表明，Mn、C具有稳定奥氏体，降低A<,3>温度的作用；Si是铁素体稳定元素，强烈抑制碳化物形成；而Al具有与Si相似的作用，可以部分或全部取代Si。间隙型元素C在两相区等温的很短时问内(10s)就已扩散均匀，而置换型元素Mn和Si在很长时间内(300s)仍未达到平衡。以上计算为热处理工艺的制定具有指导作用。在此基础上，进一步对Nb、v、Mo单一或复合微合金化对拟开发的抗拉强度为800MPa和1000MPa的新型FRIP钢的成分进行了设计，在热力学计算及动力学模拟的基础上，提出了新型FRIP钢的热处理工艺。实验结果表明，对含微合金元素Nb的FRlP钢，当均匀化温度在1230℃，保温时问为1～2小时，其抗拉强度为863MPa；利用Nb、v微合金化或Nb、Mo微合金化时，在低温铁素体中析出了与母相共格的细小弥散的合金碳化物，使TRIP4．钢的抗拉强度达到980MPa，已接近1000MPa，而延伸率为20％，这种保持良好塑性的Nb、Mo复合微合金化的超高强度冷轧FRIP钢尚未见报道。理论计算表明，FRIP4．钢强度有进一步提高的潜力，并对其热处理工艺进行了调整，实现了1000MPa／RIP钢的设计要求。
作者：	王晓东
专业：	材料物理与化学
导师：	戎咏华;王利
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2006
正文语种：	中文