孪晶诱导塑性(TWIP)钢组织与性能研究现状

对TWIP钢的研究进展进行了综述,介绍了TWIP钢的变形机制、层错能与TWIP效应的关系,TWIP钢热处理工艺以及TWIP钢的力学性能特点。

孪晶诱导塑性(TWIP)钢组织性能研究现状

综述了孪生诱发塑性(TWIP)钢的基础研究现状及进展,介绍了TWIP钢的层错能并分析了应变速率、温度、热加工工艺、晶粒尺寸和晶粒取向对TWIP钢组织和性能的影响,分析了TWIP钢的强化机制。

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。

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。

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。

TWIP钢应变诱导孪晶原位观察

利用装配拉伸台的共焦激光扫描显微镜原位观察了一种TW IP钢(Fe-30Mn-3A l-3S i)变形过程中的应变诱导孪晶(SIT)。结果表明,孪晶诱导应变阀值对应变速率不敏感,均为4.0%左右;孪晶萌发于晶界,沿晶粒扩展至晶界(或孪晶界)终止;按生长过程孪晶可分为三类:层片状、透镜状以及"耳"状,形态差异源于变形过程中TW IP钢多晶体取向以及沿孪生特定位向的调整幅度;孪晶可以交互穿越,低应变速率下,先形成初生孪晶,而后出现次生孪晶并与前者交错,高应变速率下两个体系的孪晶同时形成;断裂时裂纹可以沿孪晶界扩展。利用SIT模型计算了孪晶层片间距,与TEM观测结果吻合。

TWIP钢孪晶晶界特征及其对材料塑性的影响

利用高分辨透射电镜及电子背散射衍射技术,对TWIP钢退火孪晶和变形孪晶晶界的形貌、取向进行观察,并对其在材料塑性变形中的作用进行了分析。结果表明:退火孪晶界以∑3型为主,与晶粒之间满足<111>60°的取向关系,是TWIP钢产生孪生的基础条件;形变孪晶与基体晶粒也满足<111>60°的取向关系,亦为∑3 CSL型。孪晶对TWIP钢塑性的贡献主要是通过调节晶体取向、激发进一步滑移、促使滑移与孪生交替进行而实现的。

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。

TWIP钢的孪晶及其对Hall-Petch关系的影响

采用背散射电子衍射、透射电子显微镜和拉伸实验等研究了退火温度对冷轧态Fe-25Mn-3Al-3Si TWIP钢微观组织及力学性能的影响,并分析了Hall-Petch关系.结果表明,完全再结晶组织由等轴晶和退火孪晶组成,再结晶晶粒平均尺寸随退火温度的升高单调增大,∑3晶界面积分数随退火温度升高而呈现波动增加,850℃退火1h后∑3晶界面积分数达到44%.拉伸过程中强度与晶粒大小都服从Hall-Petch关系,但孪晶界影响Hall-Petch关系斜率K(ε)的大小.TWIP钢K(ε)-ε关系不同于一般钢材常温下的K(ε)随ε增加单调上升,TWIP钢K(ε)随着ε的增加逐渐增大,然后出现平台,最后下降.

Fe24Mn0.5C形变孪晶诱发塑性钢的显微组织和力学性能

采用光学显微镜、X射线衍射仪和电子万能试验机等研究了Fe24Mn0.5C形变孪晶诱发塑性钢的组织和力学性能。结果表明:该钢在室温下为单一的奥氏体组织,拉伸时产生形变孪晶诱发塑性效应,开始产生形变孪晶,并且随着应变量的增加形变孪晶逐渐增加;随着拉伸速度减小,该钢的均匀伸长率呈轻微上升趋势,但屈服强度、抗拉强度和断后伸长率明显升高;与高强度应变诱发塑性590钢相比,该钢具有较高的能量吸收值。

TWIP钢在高温ECAP过程中的微观组织及孪晶行为研究

本研究通过等径通道挤压(ECAP)对孪晶诱导塑性变形钢(TWIP钢)在300℃下进行了晶粒细化,并运用金相显微镜、电子背散射衍射(EBSD)、透射电镜(TEM)观察了经不同道次挤压后TWIP钢的晶粒、孪晶形貌及位错组织。结果表明,在均匀化退火状态下,试样晶粒基本呈现等轴状态,通过测微尺测量晶粒尺寸,约为(90±30)μm。在1道次挤压后,晶粒沿剪切方向显著伸长,并有尺寸较小的新晶粒产生,许多形变孪晶在剪切带中产生。2道次挤压后新产生的细小晶粒增多,并开始产生许多微孪晶,孪晶易于在晶界处产生。经过4道次等径通道挤压,晶粒逐渐细化至超细晶状态,晶粒尺寸达到0.3~1μm,孪晶厚度随挤压道次的增多而不断减小,甚至达到几十纳米。在不同晶粒尺寸下,TWIP钢在高温ECAP过程中产生孪晶的机理不同。

变形孪晶对饱和CO_(2)油田采出水模拟液中TWIP钢腐蚀性能的影响

通过室温冷轧变形,研究变形孪晶对TWIP钢在饱和CO_(2)油田采出水模拟液中腐蚀性能的影响。结果表明:TWIP钢的原始组织为单相奥氏体,经过冷轧变形,奥氏体晶粒中形成大量变形孪晶。在饱和CO_(2)油田采出水模拟液中,冷轧变形后的TWIP钢腐蚀电流密度减小,极化电阻R_(p)值增大,奥氏体晶粒中变形孪晶的大量形成,有效地提高了TWIP钢的耐蚀性。

不同加工工艺对高强高塑性TWIP钢组织与性能的影响

采用三种工艺对成分为25Mn-3Si-3Al的TWIP钢进行了试制,并对轧后钢板的组织性能进行了对比分析。结果表明,轧制后退火处理钢板的室温组织为奥氏体基体中存在大量的退火孪晶,在拉伸变形中形成的形变孪晶使产品获得了高强度、高塑性。

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.

TWIP钢的显微组织与变形机制研究

采用金相、X射线衍射、扫描电镜和透射电镜等方法对两种不同Mn含量应变诱发孪晶(TWIP)钢拉伸前后的显微组织进行了研究。结果表明,Fe-15Mn-3Si-3Al钢的塑性增长机理主要是γfcc→hεcp,fγcc→hεcp→αbcc相变诱发的TRIP效应;Fe-25Mn-3Si-3Al钢主要的塑性增长机制是孪晶诱发的TWIP效应。Fe-25Mn-3Si-3Al钢拉伸后有些奥氏体晶粒内存在两个或多个孪晶系统,孪晶界与原始奥氏体晶界都会阻碍孪晶的长大。层错能强烈影响TWIP钢的变形机制,随着Mn含量的增加,层错能不断增加,孪晶强化逐渐起主导作用。

TWIP钢拉伸变形过程中微观组织的原位观察

采用扫描电镜对TWIP钢的拉伸过程进行了原位观察,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。拉伸过程中,微裂纹首先在夹杂物和晶界处萌生,并在应力集中的作用下发生扩展连接,最终完成断裂过程。TWIP钢在变形过程中产生了大量的应变条痕,其大部分为滑移线,小部分为形变孪晶。由于孪晶诱导塑性效应,孪晶晶粒发生扭折并形成了台阶状结构,从而导致了试样表面的"褶皱"现象。

形变温度对Fe-20Mn-3Cu-1.3C TWIP钢拉伸变形行为的影响

运用温控拉伸实验,分析了在-100~200℃范围内变形时形变温度对Fe-20Mn-3Cu-1.3C钢力学性能和形变机理的影响。观察分析了拉伸试样的显微组织,并利用热力学经典模型,估算了温度对孪晶诱发塑性(TWIP)钢层错能的影响。结果表明:随着形变温度的升高,TWIP钢的层错能显著增加,基体中形变孪晶的体积分数逐渐减少,抗拉强度和屈服强度呈下降趋势,而伸长率先升高后降低,塑性变形机制也由孪生为主逐渐转变为以滑移为主。层错能的拟合公式为γSFE=26.73+9.38×10^(-2) T+4.22×10^(-4 )T2-4.47×10^(-7) T^3,与滑移相比,孪生可获得更高的应变硬化率,从而使TWIP钢获得高强度和高塑性。

高锰TWIP钢的冷轧变形行为

研究了低层错能奥氏体TWIP钢的冷轧组织和织构的演变。随着应变的增加,孪晶变形机制被激活。TEM、XRD等观察结果显示:随着应变量的增加,孪晶增加。在不同应变水平上,G{011}<100>织构都占主要位置。变形初始时,B{011}<211>织构强度较低,随着应变增加其强度显著增加。而E{111}<011>、Y{111}<112>、RG{011}<011>、Cu{112}<111>、CuT{552}<115>等织构在不同应变水平呈不同变化趋势。与其他织构相比,Cube{001}<100>织构强度相当低。

Fe-23 MnTWIP钢拉伸变形过程中微观组织的原位观察

对Fe-23MnTWIP钢的微观组织进行了原位观察。结果表明:Fe-23MnTWIP钢的变形过程是以滑移和孪生两种方式进行的,其中主要是滑移,辅之以孪生变形,在具有孪晶界的晶粒内部为了松弛滑移受阻所引起的应力集中首先会发生孪晶变形,而且拉伸过程中会产生二次孪晶,孪晶可以交互穿越,初生孪晶与次生孪晶交错,使孪晶切割基体增加运动的障碍起到细化晶粒的作用。

形变孪晶对提高汽车钢塑性的贡献

第二代汽车用钢孪晶诱发塑性钢，具有极高的塑性，形变孪晶作贡献，主要体现在以下几方面：a．孪生作为一种塑性变形机制，本身就能引起一定的塑性变形量。