表面喷丸及退火处理对Fe-30Mn-3Al-3Si TWIP钢组织与性能的影响

为实现强韧化,对Fe-30Mn-3Al-3Si TWIP钢进行了表面喷丸及退火热处理。采用金相显微镜、X射线衍射仪和透射电子显微镜等手段分析了喷丸以及喷丸结合退火处理对TWIP钢显微组织结构的影响,并利用显微维氏硬度计和万能材料试验机对原始样品、喷丸以及喷丸结合退火处理样品的硬度分布、力学性能及加工硬化行为进行了研究。分析结果表明,喷丸可在TWIP钢表面引起强烈的塑性变形,并形成包含60~100 nm大小的位错胞块的强烈形变层和包含微纳尺度形变孪晶结构的过渡层。该纳米-微米尺度的晶粒尺寸梯度结构可以将TWIP钢表面强烈形变层的硬度显著提升至366 HV0.1,并在残余压应力联合作用下使试样的屈服强度提升至485 MPa,均远高于初始样品的对应值。但受喷丸引起的表面粗糙和强烈形变层纳米晶塑性低的影响,其断后延伸率仅为41.8%。退火处理后,喷丸样品中的形变组织发生回复与再结晶,其中强烈形变层位置的再结晶晶粒尺寸为1~3μm,硬度也降低至215 HV0.1。所形成的微米-微米尺度晶粒尺寸梯度结构试样的屈服强度降低至261 MPa,但延伸率增加至65.3%。晶粒尺寸梯度结构有助于增加TWIP钢屈服与抗拉强度,但不利于延伸率的提升。

TWIP钢表面Ni-P化学镀层组织结构及性能研究

目的在孪生诱发塑性钢(TWIP)表面制备Ni-P镀层,提高TWIP钢的耐腐蚀性能。方法通过化学镀工艺在TWIP钢表面制备了高磷Ni-P镀层,并进行不同温度的热处理,利用扫描电镜及能谱仪、X射线衍射仪及原子力显微镜等探究了热处理温度和时间对Ni-P镀层形貌和组织结构的影响。通过电化学方法研究了TWIP钢表面镀层的耐蚀性能。结果随着热处理温度的升高,镍磷原子发生迁移,胞状组织边界模糊,粗糙度降低,其中600℃热处理镀层表面最为致密平整。随着热处理温度的升高,镀层组织结构演变过程如下:非晶态(普通镀层)→非晶态部分晶化,Ni12P5、Ni5P2等亚稳态镍磷化合物析出(300℃)→非晶态完全晶化、稳态Ni3P相长大(400℃)→晶粒长大(500℃、600℃)。Ni-P镀层能够明显提升TWIP钢的耐腐蚀性能。随着热处理温度的升高,镀层的耐蚀性能先降低后升高。600℃热处理1h镀层的腐蚀电流密度为0.25μA/cm^(2),与普通Ni-P镀层相比降低了80.9%,与TWIP钢基体相比降低了99.6%。600℃热处理镀层光滑致密无缺陷的表面促进了保护性氧化膜的产生,使镀层的耐蚀性能提高。结论合适的热处理工艺提高了Ni-P镀层的致密性和保护能力,光滑致密无缺陷的镀层能够为TWIP钢提供良好的防护。

TWIP钢低温塑性变形机理的原位电镜研究

本文采用透射电镜中的原位低温拉伸测试技术,进行了-50℃、-120℃及-180℃下孪晶诱导塑性变形(TWIP)钢均匀塑性变形阶段的变形缺陷行为分析,研究了温度变化对于TWIP钢中的位错滑移与孪生行为的影响。研究发现,TWIP钢在-50℃下激活了常规滑移之外的其它滑移系;随着温度的进一步降低,TWIP钢中位错活性未发生明显下降,特别是需要热激活辅助的位错交滑移在-180℃下仍可发生。同时研究结果说明,低温下TWIP钢强塑性的保持由多种变形机制共同协调作用:形变孪生、孪晶与位错相互作用、位错交滑移及其引起的位错相互作用,本质是其孪生行为与位错滑移的活性同时得到了保持。

Fe-Mn-C-Al系TWIP钢拉伸过程中的加工硬化行为

对退火后Fe-Mn-C-Al系孪生诱发塑性(TWIP)钢进行不同变形量(1.5%,4.0%,39.0%,47.0%,52.0%,62.0%)的室温单向拉伸试验,研究了该钢在拉伸过程中的加工硬化行为及显微组织演变。结果表明:随着变形量增加,TWIP钢奥氏体晶粒内部开始出现形变孪晶,且密度不断提高,变形机制由位错滑移变为孪生和位错共同作用,拉伸断口呈典型韧性断裂特征;试验钢弹性变形阶段短暂,无明显的屈服平台和物理屈服点,塑性变形阶段存在长加工硬化过程;试验钢的加工硬化率先随真应变增加而急剧下降,此时加工硬化机制以位错强化为主,随着真应变继续增加,加工硬化率增加,在应变为0.55时达到峰值,后趋于平缓,加工硬化机制主要为孪晶强化。

激光能量密度对TWIP钢表面氧化物清洗效果及机理的影响

针对孪晶诱发塑性(TWIP)钢板表面氧化层难去除的问题,采用近年来兴起的激光清洗方法,通过观察和测量不同能量密度激光清洗TWIP钢表面的形貌以及氧元素含量,研究了激光清洗技术对TWIP钢表面氧化层的作用效果及机理。结果表明:当能量密度高于12.7 J/cm^(2)时,氧化层开始发生热膨胀而从表面剥离,因此确定此值为氧化层的清洗阈值;当能量密度高于38.2 J/cm^(2)时,材料蒸发引起的热烧蚀起主导作用;当能量密度高于50.9 J/cm^(2)时,增大激光能量会造成基体的氧化,因此确定此值为氧化层的损伤阈值。本研究不仅可为激光清洗在TWIP钢表面氧化层的去除方面提供理论指导,同时也可为TWIP钢的高效、清洁化生产加工提供有效方法。

温轧TWIP钢/高碳钢组织及力学性能研究

采用热轧-温轧工艺制备了孪生诱导塑性(TWIP)钢和高碳钢双层复合材料,通过金相显微镜、扫描电镜、电子探针等观察双层钢的显微组织与界面元素分布,发现两种材料界面结合良好、无缝隙和孔洞,Mn元素由TWIP钢侧向高碳钢侧扩散。复合材料热轧后进行铅浴处理,高碳钢区域形成细片状的索氏体组织,索氏体片层间距随铅浴温度升高而增大。520℃铅浴时平均片层间距为202 nm,抗拉强度为1592 MPa,延伸率9.9%,材料的综合力学性能较好。铅浴处理后的双层钢在300℃进行多道次温轧,进一步细化晶粒,产生位错增殖,抗拉强度随温轧压下量增大而增大,延伸率有所降低。轧制压下量达到70%时,高碳钢侧的索氏体片层间距进一步减小,TWIP钢侧发生剧烈塑性变形,晶粒沿轧制方向拉长。

Fe-30Mn-5Al TWIP钢的拉伸变形行为

在保证Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢原有性能的基础上,为了消除Si对钢表面镀锌的不利影响,根据层错能计算方法以及钢的奥氏体稳定区与成分的经验解析方程,设计了Fe-30Mn-5Al单相奥氏体TWIP钢。采用万能实验机对其进行室温拉伸实验并对实验后的试样进行了背散射电子衍射分析(EBSD),研究了Fe-30Mn-5Al钢的拉伸变形行为。结果表明:Fe-30Mn-5Al奥氏体TWIP钢的层错能为50.35 mJ/m^(2),固溶后的Fe-30Mn-5Al钢,在室温拉伸过程中,形成了大量形变孪晶,抗拉强度达到800 MPa,拉伸延伸率高达100%,兼具优异的强度和塑性。

高锰TWIP钢中形变孪晶界缺陷的电镜表征研究

通常认为孪晶界是完全共格和无缺陷的,但变形过程中产生的孪晶界往往带有很多缺陷。本文通过高分辨透射电镜观察研究了高锰孪生诱发塑性(twinning induced plasticity,TWIP)钢中形变孪晶界的缺陷特征。结果表明,高锰TWIP钢中形变孪晶界的缺陷包括界面原子台阶、9R结构单元和由于位错和孪晶界相互作用产生的高密度位错。与传统认为9R结构由Σ3{112}非共格孪晶界的分解产生不同,形变孪晶界上9R结构单元由晶界直接发射不全位错形成。位错和孪晶界的交互作用造成了孪晶的退化,并在孪晶界附近产生了大量位错,包括高密度的全位错和Frank分位错。基于形变孪晶界缺陷的电镜表征,分析和总结了高锰TWIP钢的强韧化机制。

TWIP钢在3.5%NaCl溶液中腐蚀行为研究

利用扫描电镜(SEM)、极化曲线及阻抗测试等电化学测试研究了两种TWIP钢在3.5%NaCl溶液中的腐蚀行为。结果表明:TWIP钢的组织主要为内部有大量孪晶的奥氏体组织。在3.5%NaCl溶液中,TWIP980钢与TWIP1180钢相比较,TWIP980钢的耐蚀性能更好,TWIP1180钢腐蚀倾向明显,耐腐蚀能力较差。TWIP1180钢耐腐蚀性能较差的主要原因在于TWIP1180钢中Mn含量较大,腐蚀倾向增加。并且TWIP980钢中Al含量大于TWIP1180钢,Al的存在会促进形成钝化膜,降低TWIP980钢在3.5%NaCl溶液中的腐蚀倾向性。

退火温度对Fe-18Mn-3Si-3Al TWIP钢晶粒尺寸及晶界特征的影响

采用EBSD分析方法研究了不同退火温度条件下Fe-18Mn-3Si-3Al TWIP钢的晶粒尺寸及晶界特征。结果表明,退火温度对晶粒尺寸影响明显。当退火温度低于1050℃时,晶粒分布比较均匀,晶粒尺寸集中在较小尺寸范围。而退火温度超过1050℃时,晶粒尺寸集中在15~35μm,尺寸跨度较大。随退火温度的升高,Σ3晶界和总的CSL晶界比例的变化趋势相同,呈现先缓慢增加后降低的趋势,并且均在退火温度为950℃时出现峰值。孪晶的形成与晶粒取向密切相关,多数孪晶更倾向于在具有<111>取向的晶粒中形成。

TWIP钢中晶粒尺寸对TWIP效应的影响

冷轧TWIP钢经1073,1173,1273和1373K固溶处理10min后,得到了晶粒尺寸分别为7,13,30和63μm的奥氏体组织.拉伸实验表明,随着晶粒尺寸的增加,加工硬化速率(dσ/dε)与真应变(ε)的变化关系由2阶段变为3阶段.当晶粒尺寸大于30μm时,加工硬化速率与真应变关系中的第2阶段对应的应变长度随着晶粒尺寸的增加而迅速增加.当真应变为0—0.2时,加工硬化指数随真应变的增加而迅速增加;在随后的变形中,与上述4个晶粒尺寸对应的试样的加工硬化指数分别稳定在0.47,0.53,0.56和0.68.OM和TEM观察显示,随晶粒尺寸的增大,变形过程中形变孪晶数量增多.对于较大晶粒尺寸的试样,形变孪晶在拉伸变形过程中形核的临界应力较低,随变形量增加,形变孪晶可持续形成,使其加工硬化能力增加,从而增大了TWIP效应;相反,晶粒尺寸减小使变形过程中的形变孪晶形核临界应力增大,抑制形变孪晶的产生,从而减小了TWIP效应.

TWIP钢Fe-23Mn-2Al-0.2C的组织及拉伸变形机制

研究了TWIP钢Fe-23Mn-2Al-0.2C固溶处理后的组织演变和拉伸变形行为,并对其变形机制进行了探讨。结果表明:随固溶温度升高,实验钢的晶粒尺寸逐渐增大,屈服强度和抗拉强度均降低,伸长率增大,强塑积先增大后减小,在900℃时达到最高;实验钢的拉伸变形呈现连续屈服,同时随固溶温度升高,加工硬化速率(dσ/dε)与真应变(ε)的变化关系由2阶段变为3阶段。通过OM和TEM观察显示,随着晶粒尺寸的增加,变形过程中形变孪晶数量增多,孪晶诱导塑性(TWIP)效应增大。

温轧TWIP钢芯三层板的组织和力学性能

采用热轧-温轧工艺制备了孪晶诱导塑性(TWIP)钢芯的三层复合板。用电子探针(EPMA)、高分辨扫描电镜(SEM)、显微硬度计和电子万能试验机对复合板的微观组织、元素分布、显微硬度和拉伸性能进行了测试和分析。结果表明,TWIP钢与低碳钢(LC)板界面结合良好,没有孔隙、裂缝等缺陷;在结合界面附近发生了Mn元素的扩散,该扩散符合菲克第一定律;轧制工艺制备的复合板晶粒细化,材料硬度提高;TWIP钢芯三层复合板的强度和伸长率与TWIP钢芯的厚度比成正比;在拉伸过程中两侧钢板的晶粒发生协调变形,裂纹首先出现在LC一侧,随后裂纹扩展,最终在TWIP/LC界面形成贯穿的连续裂纹。

Fe-Mn-C系TWIP钢的组织和性能

研究了Fe-Mn-C系TWIP钢的组织和性能,结果表明钢板经热轧-冷轧-热处理后,钢板可达到有57.3%的延伸率,480MPa的屈服强度和1140MPa的抗拉强度。其室温组织为单相奥氏体基体并伴有退火孪晶,拉伸变形后通过XRD检测和TEM观察发生了少量的γ→α和γ→ε→α相变同时内部有大量的滑移带和变形孪晶共存。即Fe-Mn-C系TWIP钢变形时同时有TRIP效应、TWIP效应,使钢板具有优良的力学性能。

锰元素对TWIP钢层错能和变形机制的影响

根据层错能的热力学模型,计算了Fe-XMn-3Si-3Al系高强度高塑性TWIP钢的层错能。计算结果表明,随锰含量增加Fe-XMn-3Si-3Al系TWIP钢层错能增加,在此基础上讨论了锰含量对Fe-XMn-3Si-3Al系TWIP钢变形机制、力学性能和微观组织的影响。在合金中Mn含量的提高使层错能增加,而层错能的增加使Fe-XMn-3Si-3Al系钢表现出不同的变形机制,即逐渐由TRIP效应变为TWIP效应;同时随着Mn含量的提高,合金的抗拉强度降低,而塑性提高。

热处理工艺对TWIP钢组织性能的影响

对3种不同成分的TWIP钢(Fe-25Mn-4Si-2Al,Fe-30Mn-4Si-2Al,Fe-30Mn-3Si-3Al)进行热轧后的热处理实验,结果表明,增加固溶处理的保温时间,可提高TWIP钢的延伸率,而强度的变化并不明显.从晶界的角度分析了性能变化的原因:增加固溶处理的保温时间,有利于生成退火孪晶,不但增加退火孪晶界的面积,也有利于增加其他特殊晶界(CSL晶界)的数量.CSL晶界对材料的抗晶间腐蚀、断裂和蠕变强度的提高均有有益的作用,因此,通过控制TWIP钢的热处理工艺来提高原始组织中特殊晶界的含量,可以提高TWIP钢的强韧性.

高强度高塑性TWIP钢的开发研究

通过调整成分 ,研究了一种新型的高锰钢成分对组织结构和 TWIP效应以及对强度、塑性的影响。结果表明 ,该钢在变形后基体中存在大量细小的形变孪晶 ,室温下可具有相变诱导塑性和孪晶诱导塑性的 TWIP效应 ,因而具有高的强度 (10 0 0 MPa以上 )和极高的伸长率 (6 0 %～ 90 % )。该钢种是很有前途的高强度、高塑性钢种 。

高锰奥氏体TRIP/TWIP钢的组织和力学性能

研究了两种不同锰含量的高锰奥氏体钢在室温拉伸变形过程中力学性能和组织的变化。结果表明，随着钢中锰含量的变化，实验钢在流变应力的作用下出现相变诱导塑性的TRIP效应和孪晶诱导塑性的TWIP效应。在1×10^-3s^-1的初始应变速率条件下，锰的质量分数为23．8％的实验钢可达到666MPa的抗拉强度和67％的伸长率，而锰的质量分数为33％的实验钢可达到540MPa的抗拉强度和97％的伸长率。并且在10^-3-10^-1s^-1的初始应变速率范围内，实验钢的抗拉强度对于流变应力不敏感，而实验钢的塑性则表现出一定的应变速率敏感性。由于该钢具有较好的综合力学性能，有望作为新一代高强度、高塑性汽车用钢。

Fe-28Mn-3Si-3Al TWIP钢变形过程中的孪晶观察

采用扫描电镜、透射电镜对TWIP钢的拉伸变形过程中的孪晶进行了观察。研究结果表明,在TWIP钢的拉伸过程中,具有孪晶界的晶粒内部首先发生变形,并产生一定程度的加工硬化,随后其余部分晶粒发生转变,形成对变形有利的取向,从而变形得到扩展,最终得到非常大的无颈缩延伸;并且最先变形孪晶遗传了退火孪晶的取向。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是使TWIP钢得到强化的主要变形机制。

Fe-28Mn-3Si-3Al TWIP钢变形的微观组织特征

采用扫描电镜、透射电镜和电子背散射衍射技术对TWIP钢拉伸变形后的组织进行了观察和分析.研究结果表明,热处理后的TWIP钢中存在60%的退火孪晶,变形后孪晶量减少为32%.在拉伸过程中,具有退火孪晶的晶粒内部首先发生变形,产生的变形孪晶遗传了退火孪晶的取向.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滑移的综合结果使TWIP钢同时获得高塑性和高强度,因此变形过程中孪生变形是TWIP钢的主要变形机制.