Fe-20Mn-3Si-3Al钢在不同应变速率和温度下的力学行为

论文摘要

随着社会经济的发展,人们对汽车的需求量越来越大,在注重汽车舒适性的同时,对汽车的环保和安全性也提出了更高的要求。TWIP （孪晶诱导塑性变形,Twinning induced plasticity）钢具有良好的成型性能和能量吸收能力,使其在提高汽车撞击安全性的同时,大幅减轻汽车的重量。因此,TWIP钢正在成为新一代汽车用钢的发展方向；同时,如何认识车体在不同环境温度及不同撞击速率下的性能结构变化,对人们的出行安全及生命财产有着极为重要的参考意义,所以很有必要研究该钢种在不同温度及不同变形速率下的变形特征及机理。本文研究了Fe-20Mn-3 Si-3 A1-0.045C孪晶诱发塑性（TWIP）钢的力学性能。在应变速率为1×104s-1、1×10-3s-1、1×10-2s-1和1×10-1s-1时,分别在室温、50℃、100℃、150℃、200℃、250℃和300℃下对实验钢进行拉伸试验。根据所得到的实验结果,分析研究变形条件对该材料力学性能变化的影响。通过光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对其断口和变形区微观组织形态进行观察和分析,研究其断裂机制。研究成果可为TWIP钢的加工成型提供一定的依据。在应变速率最低时,TWIP钢具有良好的拉伸延展性能,但其抗拉强度和屈服强度相对较低,随着应变速率增加,其延伸率逐渐降低,屈服强度和抗拉强度逐渐增大；改变拉伸实验的温度,随着实验温度的上升,材料的断裂延伸率和均匀延伸率均有不同程度的下降,而且抗拉强度和屈服强度也随之下降。在室温变形时,当应变速率为1×10-4s-1时,该材料的屈服强度和抗拉强度分别为510MPa及860MPa,拉伸延展性为53%；当应变速率增加为1×10-1s-1,该材料的屈服强度及抗拉强度分别增大为630MPa和970MPa,延伸率则下降为39%；当变形温度增加为300℃,该材料在应变速率为1×10-1s-1变形的抗拉强度下降为764MPa,拉伸延展性为28%。该材料的应变速率敏感指数随应变速率的增加而增加。在低温条件下拉伸变形时,所研究样品的变形机理主要以孪生变形方式以及变形孪晶与位错相互作用的方式进行。随着变形温度增加到300℃,该材料的变形微观结构中的孪晶数量显著降低,变形主要以位错滑移的方式进行。随着应变速率的增加,韧窝的尺寸、深度均变小,剪切唇的面积减小,纤维区增加。这是因为TWIP钢的拉伸变形主要是滑移和孪生进行的,随着拉伸速率增加,应力超过屈服强度后,位错的运动速率落后于拉伸速率,塑性还没有充分完成,很多韧窝还来不及聚合长大就发生断裂；当增加实验温度时,韧窝长大、变深,剪切唇面积不断增加,韧窝大小和分布变得比较均匀。因为随着温度的升高,微孔扩展的速度增加,形成较大的韧窝；同时,热激活加剧导致位错湮灭几率增加,位错密度减小,孪生过程受到抑制,所以该材料的强度及塑性均下降。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 TWIP效应的形成及作用机制
• 1.2.1 孪晶
• 1.2.2 孪生变形及其影响因素
• 1.2.3 TWIP效应
• 1.3 合金元素对TWIP效应的影响
• 1.3.1 Mn
• 1.3.2 Al
• 1.3.3 Si
• 1.3.4 C
• 1.4 TWIP钢的形变强化机制
• 1.5 TWIP钢的力学性能及其影响因素
• 1.5.1 合金成分的影响
• 1.5.2 温度的影响
• 1.5.3 形变速率的影响
• 1.5.4 热处理的影响
• 1.6 TWIP钢的断裂机理及其影响因素
• 1.6.1 外因
• 1.6.2 内因
• 1.7 本文研究的目的、内容和意义
• 第2章 实验材料的制备及试验方法
• 2.1 实验设备及试样制备
• 2.1.1 实验设备
• 2.1.2 实验材料制备
• 2.1.3 拉伸试样的制备与预处理
• 2.3 拉伸实验
• 2.4 显微组织观察和分析
• 2.4.1 扫描显微镜断口观察
• 2.4.2 透射电子显微镜（TEM）样品制备和观察
• 2.4.3 金相试样的制备和观察
• 第3章 TWIP钢的拉伸性能
• 3.1 应变速率对TWIP钢力学性能的影响
• 3.1.1 不同应变速率下的拉伸实验
• 3.1.2 TWIP钢在不同应变速率下的力学性能
• 3.2 温度对TWIP钢力学性能的影响
• 3.2.1 不同温度下的拉伸实验
• 3.2.2 TWIP钢在不同的温度下的力学性能
• 3.3 应变速率敏感指数
• 3.4 瞬时加工硬化指数和加工硬化率
• 3.5 小结
• 第4章 TWIP钢的断裂行为及断口分析
• 4.1 TWIP钢的断裂机制
• 4.2 TWIP钢拉伸断口分析
• 4.3 不同温度时应变速率对断口形貌的影响
• 4.3.1 室温时应变速率对断口形貌的影响
• 4.3.2 150℃时应变速率对断口形貌的影响
• 4.3.3 300℃时应变速率对断口形貌的影响
• 4.4 不同应变速率下温度对断口形貌的影响
• -4s^-1时的断口形貌'>4.4.1 应变速率为1×10^-4s^-1时的断口形貌
• -3s^-1时的断口形貌'>4.4.2 应变速率为1×10^-3s^-1时的断口形貌
• -2s^-1时的断口形貌'>4.4.3 应变速率为1×10^-2s^-1时的断口形貌
• -1s^-1时的断口形貌'>4.4.4 应变速率为1×10^-1s^-1时的断口形貌
• 4.5 温度和应变速率对形变机制的影响
• 4.6 小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢