孪生诱发塑性钢大变形试样制备试验参数设计

为了探究孪生诱发塑性(TWIP)钢在弯曲等大变形下的微观组织变化,需要制备给定大变形材料试样,然而在实际试验中很难精准确定合适的力学性能试验参数。针对四点弯作用下的TWIP钢试样制备条件,分别基于弹性模型、Ramberg模型和Chaboche模型,采用有限元仿真模拟了试样在不同位移条件下的变形过程,获得了与给定大变形相匹配的试验参数。基于得到的试验参数开展了24次试验,结果表明试件实际变形与仿真计算结果具有较好的一致性。基于Chaboche模型的有限元仿真能够有效获取材料大变形试验的力学参数,而合适的材料参数是决定仿真结果精确性的关键因素。

利用热浸铝结合扩散热处理改善孪生诱发塑性(TWIP)钢的耐蚀性

利用热浸铝结合扩散热处理在孪生诱发塑性(TWIP)钢表面制备了Fe-Al化合物涂层,并对涂层的组织及浸铝合金的耐蚀性进行了研究。结果表明,初始热浸铝试样过渡层包括棒状的Fe-Al化合物区和少量Fe-Al化合物与Fe-Mn-Al-Si基体共存区。随扩散热处理温度的升高,合金扩散层厚度快速增大,涂层组织逐渐由富铝相向富铁相转变,1050℃时,由Fe_(2)Al_(5)和FeAl_(3)相全部转变为Fe_(3)Al相。电化学试验表明,TWIP钢经热浸铝及1050℃扩散处理后耐蚀性明显增强,腐蚀电位从-0.849V增加到-0.625V,腐蚀电流则从26.1μA/cm^(2)降低到2.70μA/cm^(2)。这主要是由于扩散层中的铝含量较高,在NaCl溶液浸泡时,表面易形成致密的Al2O3钝化膜,能够有效降低初始阶段阴极电流密度,同时Fe3Al化合物涂层也具有更高的耐蚀性能。

孪生诱发塑性对V-5Cr-5Ti合金应变硬化行为的影响

钒合金(V-Cr-Ti)作为潜在重要的聚变反应堆用结构材料,近年来受到广泛的关注.为了研究V-5Cr-5Ti合金不同应变率压缩下的应变硬化行为,特别是孪生对塑性变形的影响,以位错密度和孪晶演化为基础,建立了该合金的应变硬化模型.模型中考虑了孪晶中的位错滑移对材料塑性应变的贡献.模拟结果表明,由于孪生诱发塑性,从而使动态压缩时的位错密度小于准静态加载时的,这使得V-5Cr-5Ti合金在动态压缩时的应变硬化率比准静态加载时的小.当孪晶形成后,位错滑移引起的塑性应变率随应变增大而增大,并逐渐接近加载应变率,而孪生引起的塑性应变率则随应变增大而减小.

高碳含铜孪生诱发塑性钢中非金属夹杂物的探讨

高碳含铜孪生诱发塑性(TWIP)钢的纯净化制备对充分发挥其优异性能具有重要性。为了提高高碳含铜TWIP钢的洁净度,实验利用金相显微镜、扫描电镜及能谱仪等对该TWIP钢经真空感应熔炼、固溶处理后的铸锭和热轧板材中非金属夹杂物进行分析,找出了钢中夹杂物类型、来源以及不同工序的变化规律。结果表明,TWIP钢中主要存在铁锰氧化物、硅酸盐类夹杂、硫化物和氮化物。在该TWIP钢使用和热加工的温度范围内,硫化物表现出良好的塑性,氮化物属硬质脆性夹杂物。硅酸盐类夹杂物和铁锰氧化物变形特性受其成分和温度变化的影响较为明显。

孪生诱发塑性钢力学性能的研究进展

随着“碳达峰”、“碳中和”的目标提出,汽车、航空、航天、高铁等诸多工业领域对钢铁结构件的安全和可靠性要求越发严苛。因此,钢铁结构材料需要满足高强度、高塑性以及更优异的综合力学性能,例如耐疲劳、耐冲击以及加工硬化能力等方面来进行更深入的研究。进入21世纪,孪生诱发塑性钢,即TWIP钢的研究逐渐展开。该材料具有单相奥氏体结构,其在变形过程中会形成大量的形变孪晶,对晶粒进行分割,表现出动态的Hall-Petch效应,可极大提高金属材料的加工硬化能力,并具有较高的均匀伸长率和抗拉强度,因而具有潜在的工业应用价值。根据TWIP钢的力学性能特点,系统地介绍了TWIP钢的加工硬化率、应变速率敏感性、变形温度敏感性、疲劳裂纹扩展以及抗冲击性能的研究进展,以期为高强钢开发提供新的思路和理论支持。

孪生诱发塑性钢拉伸与疲劳性能及变形机制

随着汽车工业的高速发展,以开发先进高强钢为重点的车辆轻量化设计已经成为各大汽车厂商的发展共识。本文基于国内外孪生诱发塑性(TWIP)钢强韧性和抗疲劳设计的成果以及本课题组多年来在该领域的研究工作,系统地总结了TWIP钢的研究现状及最新进展,探讨了影响TWIP钢拉伸性能与变形机制的影响因素,包括合金成分、组织状态、应变速率等。重点介绍TWIP钢的高、低周疲劳性能和微观损伤行为,并提出一种客观评价和预测低周疲劳寿命的方法。从TWIP钢的服役环境和实际应用角度出发,试图为新一代高性能TWIP钢的开发提供新的思路和实验证据。

Mn含量对Fe-Mn-C孪生诱发塑性钢拉伸变形行为的影响

利用室温单向拉伸实验,结合OM、TEM、SEM-EBSD等观察手段,对比研究了2种Mn含量(13Mn和22Mn,质量分数,%) Fe-Mn-C系高锰奥氏体孪生诱发塑性(TWIP)钢的拉伸性能、孪生演化规律及应变硬化行为。结果表明,随Mn含量的增加,钢的屈服强度与抗拉强度降低而断裂延伸率增加。在低应变时,Mn含量的增加延缓了钢中形变孪晶的形成;但在高应变时,Mn含量的增加加快了孪晶的形成速率,进而使高锰钢中的孪晶体积分数反而比低锰钢中的高。同时,形变孪晶的厚度随Mn含量的增加而增加。最后,对2种Mn含量的Fe-Mn-C系TWIP钢的孪生及拉伸变形行为进行了讨论。

TiNbTaZr钛合金冷加工塑性行为研究

通过力学性能测试,结合光学显微镜、X射线衍射、扫描电镜和透射电子显微镜等表征技术,研究了Ti35Nb2Ta3Zr0.3O合金的冷加工塑性行为及其机理。结果表明:Ti35Nb2Ta3Zr0.3O合金在冷变形过程的不同阶段呈现出低加工硬化或无加工硬化的特点,变形量大于50%之后,晶粒碎化明显、塑性增强。分析表明:约35%Nb的加入降低了合金的层错能,使位错攀移及交滑移受到抑制,孪生机制增强,随冷变形量增大,形成多阶孪生,使晶粒明显碎化;合金的塑性变形是以孪生与位错滑移联合起作用,其独特的塑性行为来自于层错能效应及形变过程中的孪生诱发塑性效应。

先进高强度钢氢脆的研究进展

综述了先进高强度钢氢脆的研究进展,重点介绍了双相钢、相变诱发塑性钢、孪生诱发塑性钢、淬火-配分钢等材料中的氢脆特征、断裂模式、断口形貌特点以及相关的断裂机制,为揭示先进高强度钢的氢脆机理及提出相应的预防措施提供参考。

“天问一号”着陆缓冲机构吸能材料设计分析与试验验证

着陆缓冲机构是“天问一号”火星探测器在行星表面软着陆时的关键部件之一,需要采用吸能效率高、耐高低温的能量吸收材料。介绍了火星探测器着陆缓冲机构中采用高锰奥氏体孪生诱发塑性钢(Twining Induced Plasticity,TWIP)制拉杆的能量吸收设计。给出了TWIP钢的高塑性变形微观机理和力学特性。试验结果表明,TWIP钢具备600 MPa拉伸应力和72%拉伸应变的高塑性变形能力。通过仿真分析和试验验证方法,验证了TWIP钢制拉杆在火星探测器着陆缓冲机构中的应用效果。结果表明,着陆缓冲机构能够在各种复杂着陆工况下保证稳定的能量吸收性能。

非金属夹杂物对高碳含铜TWIP钢拉伸性能的影响

通过对比两组夹杂物含量及尺寸分布不同的高碳含铜TWIP钢的拉伸性能及其断口形貌，分析了非金属夹杂物对该钢拉伸性能的影响。结果表明：在拉伸过程中，钢中的非金属夹杂物成为孔洞的形核点，并导致孔洞提前萌生，但该钢易发生孪生和高加工硬化率的特点，延缓了显微孔洞的形核和长大，再加之其无颈缩的塑性断裂形式，使得其拉伸性能对非金属夹杂物在一个较大范围内具有高度容忍性；当该钢中夹杂物的面积分数由0．171％增加到0．39494％，等效圆直径大于5μm夹杂物的面密度由4个·mm-1增加到29个·mm-1时，其抗拉强度、断后伸长率等拉伸性能仅降低了1％～3％，仍表现出优异的拉伸性能。

高Mn高SiTWIP钢显微组织与力学性能

通过金相、拉伸、透射电子显微镜以及断口扫描等手段,研究了高Mn,Si的Fe-Mn-Si-C合金的微观组织结构和力学性能特点,并研究了不同应变速率对Fe-Mn-Si-C合金力学行为的影响.研究结果表明:Fe-Mn-Si-C合金经1000℃×1h固溶处理后的原始组织为奥氏体,在奥氏体基体分布大量的退火孪晶.所有试验合金都具有较高的强度和塑性,大的强塑积,产生显著的孪生诱发塑性.降低应变速率拉伸可提高Fe-Mn-Si-C合金的塑性和强度,其塑性提高明显,而强度变化不显著.

温度及应变速率对TWIP钢拉伸性能的影响

通过拉伸试验研究了温度和应变速率对孪生诱发塑性(TWIP)钢拉伸性能的影响。结果表明:随着温度升高,TWIP钢的强度逐渐下降,断后伸长率逐渐增加,应变硬化指数随真应变增加达到并维持在较高的水平,试验钢的均匀变形能力得到提高,宏观塑性增加;随应变速率增大,试验钢的流变应力升高,断后伸长率下降,抗拉强度基本保持不变,应变硬化率曲线上的平台区长度明显变短,这表明孪生受到抑制,较早达到硬化极值;应变硬化指数峰值随应变速率的增大而减小,TWIP钢的均匀变形能力及宏观塑性下降。

高碳含铜TWIP钢TIG焊接头组织与性能

通过单向拉伸试验、显微组织观察、X射线衍射(XRD)和硬度测试对比研究了Fe-20Mn-3Cu-1.38C TWIP钢钨极氩弧焊(TIG)焊接接头固溶处理前后的组织和力学性能.结果表明,固溶处理前焊缝组织为特定取向的柱状晶,整个焊缝组织晶粒粗大且分布着密集的颗粒状碳化物,热影响区(HAZ)在晶界有大量碳化物析出;固溶处理后,焊缝组织变为等轴晶,碳化物被完全固溶,焊接接头抗拉强度由953 MPa降为870 MPa,断后伸长率由41.85%提高至66.35%,低于母材性能(抗拉强度1 100 MPa,断后伸长率92.25%),但相比固溶处理前,综合力学性能显著提高;两种拉伸试样均断在热影响区,为典型韧性断裂.

光纤激光焊接950 MPa级车用TWIP钢接头组织和性能

对950 MPa级车用孪生诱发塑性钢(TWIP950)板材进行光纤激光对接焊,分析接头微观组织和微区成分,进行显微硬度测试和室温拉伸试验,研究其不同应变速率下的拉伸性能及断裂行为.结果表明,焊缝区奥氏体组织粗化和锰元素烧损导致其出现硬度低于母材的软化现象,而热影响区发生硬化现象.随应变速率增加,母材与焊接接头的抗拉强度由负应变速率敏感性改变为正应变速率敏感性;母材与焊接接头的塑性随应变速率增加呈先下降再升高又下降的变化趋势.不同应变速率拉伸后接头均断裂在焊缝区,随应变速率增加,接头韧性断裂特征未见明显变化.

机械合金化和SPS工艺制备超细晶高锰钢

用机械合金化和放电等离子烧结(SPS)工艺制备名义成分为Fe-18Mn-0.6C的高锰钢,对其组织及力学性能进行分析。结果表明:SPS烧结制备的Fe-18Mn-0.6C块体为平均晶粒尺寸为1μm的超细晶单一奥氏体合金钢,晶粒内部存在较多的层错及退火孪晶,还分布着大量的纳米级弥散颗粒。Fe-18Mn-0.6C块体硬度为475HV、抗拉强度为925 MPa,较多的孔隙缺陷导致块体致密度低,仅为96.27%。孔隙与晶粒内部大尺寸颗粒在拉应力作用下易萌生裂纹发生撕裂,造成沿晶脆断,塑性较差。850℃/1 h的热处理能显著改善块体韧性,伸长率由4%升至13%,以脆断为主、韧断为辅的混合断裂模式。

定向凝固TWIP钢的微观组织及力学行为

利用液态金属冷却定向凝固技术,获得了柱晶TWIP钢试样,并对比研究了传统等轴晶与柱晶TWIP组织特征、基本力学行为及应变率敏感性。结果表明,定向凝固TWIP试样随着抽拉速率的减小枝晶间距增加,晶粒形貌简化。与传统试样相比,定向凝固试样沿着柱状晶纵向的综合力学性能明显提高,其中抽拉速率为120μm/s试样断裂延伸率及强塑积分别提高了30%及22.8%,两者的延伸率及强塑积随着应变率的增加均有所降低,而后者对应变率变化敏感性更低,意味着材料在遭受高速碰撞或冲击时,定向凝固试样仍能保持较高的能量吸收特性。

高锰奥氏体TWIP钢的单向拉伸与拉压循环变形行为

对高锰奥氏体孪晶诱发塑性(TWIP)钢室温单向拉伸与拉压疲劳行为进行了研究.单向拉伸和疲劳实验的应变速率均为6×10-3s-1.疲劳实验采取轴向总应变控制,应变比为-1.结果表明,随拉伸应变的增加,应力-应变曲线上的锯齿状塑性流动呈现出不同的特征,具有很强的应变敏感性.在不同应变幅下的低周疲劳实验中,高锰奥氏体TWIP钢表现出很强的循环硬化能力.低应变幅时表现为初始循环硬化,随后稳定;中等应变幅时,表现为初始循环硬化后出现不同程度的循环软化,然后稳定;高应变幅时经短暂循环硬化后开始循环软化,直至失效.较高应变幅下循环失效后的奥氏体晶粒内产生了大量的位错、位错墙、迷宫结构以及位错胞等位错结构,在部分晶粒内还观察到了细小的形变孪晶.

碳含量对新型Fe-Ni-Mn-Si-C系TWIP钢组织和力学性能的影响

通过光学显微镜、X射线衍射和透射电镜等方法研究了碳含量对Fe-Ni-Mn-Si-C系合金微观组织和力学性能的影响。结果表明:Fe-Ni-Mn-Si-C系合金的主要塑性变形机制为孪生诱发塑性(TWIP)效应。碳的质量分数由0.70%增加至0.98%,合金的屈服强度和抗拉强度分别由391 MPa和860 MPa增大到458 MPa和974 MPa,伸长率由63.6%提高到69.2%。随着碳含量的提高,Fe-Ni-Mn-Si-C系合金出现明显的动态应变时效现象。Fe-15Ni-12Mn-2.5Si-XC合金具有良好的应变硬化能力,随着碳的质量分数提高至0.98%,最大应变硬化指数达到0.73。

高锰合金钢的SME、TRIP、TWIP效应

由于锰的价格低廉以及在材料中的重要作用而成为钢铁工业常用的合金元素。锰含量高时，可使Fe-Mn合金形成的奥氏体在较低温度下存在。加入Si、Al元素可对合金中奥氏体的稳定性产生不同程度的影响，从而使材料在承受外界载荷时呈现出不同的反应。研究表明：Si可降低奥氏体层错能，有利于A→ε-M相变，从而使合金易产生形状记忆效应。加大变形量，由于大量的奥氏体转变为α＇-M时体积膨胀，在使材料伸长率提高的同时，强度也得到提高（相变诱发塑性效应），因此可用作高性能结构件。Al和Mn是提高奥氏体层错能的合金元素。对于Al、Mn含量高的钢，在外力作用下则可通过孪生诱发塑性变形产生孪晶诱发塑性效应，因而材料在具有较高强度的前提下，还具有60％～80％的伸长率。