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。     

孪生诱发塑性钢的研究现状及展望

基于TWIP钢高的强度、好的塑性性能,针对潜在石油工业可膨胀管技术应用背景,对孪生诱发塑性TWIP钢的国内外研究现状、TWIP钢目前的研究方向进行了综述,并提出今后在理论研究方向上的几点设想和展望。     

孪生诱发塑性(TWIP)钢的研究进展

综述了孪生诱发塑性(TWIP)钢的研究进展,重点介绍了产生TWIP效应的关键在于低温时具有稳定的奥氏体组织和较低的层错能,主要合金元素对TWIP钢组织和性能的影响,层错能及其计算,第一、二代TWIP钢的力学性能以及温度、应变速率和加工工艺对其力学性能的影响,孪生诱发塑性的微观机制。     

退火温度对冷轧Fe20Mn0.3C钢组织及其拉伸变形行为的影响

采用扫描电镜、准原位电子背散射衍射(EBSD)、X射线衍射和室温拉伸实验,研究了冷轧Fe20Mn0.3C钢在700~1000℃范围内退火1 h后的微观组织及其拉伸变形行为。结果表明,随着退火温度升高材料的屈服强度逐渐降低,而抗拉强度及伸长率则先升高后降低,当退火温度为800℃时,抗拉强度和伸长率达到峰值。800℃退火试样形成了均匀细小且非常稳定的奥氏体晶粒组织,其拉伸变形机制主要为孪生诱导塑性(TWIP效应);当退火温度进一步升高,奥氏体晶粒长大,其稳定性降低,空冷及拉伸过程中均发生马氏体相变,形变机理由TWIP效应转为相变诱导塑性(TRIP效应)。准原位拉伸EBSD研究表明:在拉伸变形过程中,退火试样中的淬火ε马氏体一方面通过γ→ε形式的TRIP效应增厚,另一方面通过ε→α'形式的TRIP效应转变成α'马氏体,而裂纹容易在α'马氏体界面形核扩展,因此,淬火ε马氏体越多,材料的伸长率越低。     

孪晶诱发塑性钢疲劳行为研究进展

孪晶诱发塑性(TWIP)钢具有较高的强度和优越的塑性,已经应用在汽车零部件.在汽车行驶过程中,这些零部件将会承受交变载荷,存在发生疲劳断裂的风险.近年来,科研工作者越来越重视对TWIP钢疲劳行为的研究,希望通过弄清TWIP钢疲劳过程中的微观组织演化、裂纹扩展方式以及影响疲劳寿命的因素,来进一步提升TWIP钢的抗疲劳能力...     

应变速率对DP780钢动态拉伸变形行为的影响

利用电液伺服高速试验机对DP780钢进行不同应变速率下的拉伸变形,结合SEM和TEM等手段,研究了应变速率对DP780钢拉伸性能及变形行为的影响规律及机制.结果表明,在较低应变速率(<10⁰ s^-1)条件下,随应变速率增加,DP780钢的强度、塑性等力学性能均未见显著变化.当应变速率超过10¹ s^-1后,DP780钢的强度和应变硬化指数n明显提高;塑性在3×10¹-5×10² s^-1范围内出现大幅度增加的现象.高应变速率的变形过程中,铁素体基体中位错运动速度加快,导致"近程阻力"增大,使DP780钢的变形抗力随应变速率的增加而增大.在应变速率达到3×10¹ s^-1之后,铁素体中可动位错数量的大幅度提高,是DP780钢均匀伸长率和断后伸长率在3×10¹-5×10² s^-1范围内得以明显增加的主要原因.DP780钢中的铁素体/马氏体界面是塑性变形过程中位错塞积、微裂纹形核及扩展的主要位置,而随应变速率的增加,铁素体基体中的形变强化程度增大,可降低铁素体基体与铁素体/马氏体界面之间塑性应变能差异,延缓铁素体/马氏体界面处微裂纹的形成和扩展,一定程度上提高了DP780钢非均匀塑性变形能力.     

Fe-Mn-Al-C系低密度钢拉伸变形行为

通过OM、XRD、SEM和TEM等手段对3种不同成分和不同微观组织的Fe-Mn-Al-C系低密度钢拉伸变形行为进行了研究.结果 表明,实验条件下,热轧态γ+k+α、γ+α[和单相奥氏体γ低密度钢均呈现出韧性断裂特征,单相奥氏体低密度钢塑性最优,其伸长率为25％.由于双相γ+α[低密度钢变形时应变分布的不均匀性,导致其综...     

孪生行为对TA18钛合金管材塑性的影响

利用电液伺服材料试验机,对直径为Φ16的TA18(Ti-3Al-2.5V)钛合金管材试样分别在–60,25,100,200,300和350℃下进行了静态拉伸试验,并结合TEM观察TA18钛合金管材在高低温下的显微组织。结果表明,TA18钛合金管材的强度和塑性均随温度的升高而降低;通过TEM观察,在–60℃拉伸的管材中观察到明显的孪生,而在350℃拉伸的管材中没有观察到孪生现象。结果表明:孪生对不同温度下TA18钛合金管材的塑性变形起着至关重要的作用。     

TC21钛合金超塑性拉伸变形流变行为

通过恒应变速率超塑性拉伸试验,研究了TC21钛合金在变形温度为1 153~1 193K,应变速率为3.3×10-4~3.3×10-2 s-1条件下的拉伸流变应力行为。计算了TC21钛合金超塑性拉伸变形激活能和相应的应力指数,建立了TC21钛合金应力-应变本构模型,并通过1stopt软件对其进行修正。研究表明,在同一应变速率下,TC21钛合金流变应力随变形温度的升高而减小;在同一变形温度下,流变应力随着应变速率的增大而增大。当应变速率较高,变形温度较低时,动态再结晶为主要软化机制;当应变速率较低,变形温度较高时,加工硬化与软化达到动态平衡,软化机制以动态回复为主;当变形温度为1 153K,应变速率为3.3×10-4 s-1时,TC21钛合金具有较好的超塑性(408.60%);超塑性拉伸变形激活能和应力指数分别为329.20kJ/mol、2.367 7。     

退火温度对冷轧7Mn钢拉伸行为的影响及模拟研究

利用EBSD、TEM和XRD等手段研究了退火温度对冷轧中锰钢7%Mn-0.3%C-2%Al(质量分数)组织和力学性能的影响,并借助具物理冶金意义的本构模型探讨了冷轧中锰钢退火后的拉伸和加工硬化行为。实验结果表明,随着退火温度的上升,逆转变奥氏体的机械稳定性逐渐降低,使得应变诱导马氏体的转变速率快速上升。在700℃退火时,逆转变奥氏体的稳定性适中,此时材料的综合力学性能最优。模拟结果表明,奥氏体稳定性对材料的拉伸行为有决定性的影响。退火温度偏低则奥氏体稳定性过高,材料的加工硬化率和均匀延伸率都较低;若退火温度适中则奥氏体稳定性也适中,变形时能持续地产生TRIP效应硬化基体,使材料的加工硬化率和均匀延伸率均较高;退火温度偏高会导致奥氏体稳定性过低,应变诱导马氏体会在短期内大量形成,致使材料的抗拉强度较高但均匀延伸率降低。     

孪生诱发软化与强化效应的Cu晶体塑性行为模拟

基于晶体塑性理论,考虑孪生软化效应建立了描述孪晶形核、增殖和长大的位错密度基晶体塑性有限元模型。应用该模型揭示了不同晶体取向Cu单晶拉伸变形过程中位错滑移、孪生激活及其交互作用下的宏观塑性行为演化规律,进一步分析了Cu多晶拉伸变形过程中晶粒间交互作用对孪生软化、应变硬化等宏观塑性行为的影响。结果表明：孪生具有明显的取向效应,在孪生主导塑性条件下,Cu单晶塑性变形过程中孪晶增殖导致应力-应变曲线存在明显的应力突降现象,其塑性变形分为滑移、孪生及位错与孪晶交互作用3个阶段;此外,随着饱和孪晶体积分数增加,Cu单晶塑性变形过程中第3阶段的应变硬化率也随之提升。进一步模拟Cu多晶拉伸变形的塑性行为可知,在晶粒间交互作用下孪晶形核、增殖和长大过程中不会出现应力突降现象,与Cu单晶相比整个塑性变形过程具有更高的应变硬化率;Cu多晶塑性变形过程中位错密度在晶界处出现集中现象,孪晶也容易在晶界处形成。     

孪生诱发软化与强化效应的Cu晶体塑性行为模拟

基于晶体塑性理论,考虑孪生软化效应建立了描述孪晶形核、增殖和长大的位错密度基晶体塑性有限元模型。应用该模型揭示了不同晶体取向Cu单晶拉伸变形过程中位错滑移、孪生激活及其交互作用下的宏观塑性行为演化规律,进一步分析了Cu多晶拉伸变形过程中晶粒间交互作用对孪生软化、应变硬化等宏观塑性行为的影响。结果表明：孪生具有明显的取向效应,在孪生主导塑性条件下,Cu单晶塑性变形过程中孪晶增殖导致应力-应变曲线存在明显的应力突降现象,其塑性变形分为滑移、孪生及位错与孪晶交互作用3个阶段;此外,随着饱和孪晶体积分数增加,Cu单晶塑性变形过程中第3阶段的应变硬化率也随之提升。进一步模拟Cu多晶拉伸变形的塑性行为可知,在晶粒间交互作用下孪晶形核、增殖和长大过程中不会出现应力突降现象,与Cu单晶相比整个塑性变形过程具有更高的应变硬化率;Cu多晶塑性变形过程中位错密度在晶界处出现集中现象,孪晶也容易在晶界处形成。     

退火温度对冷轧Fe20Mn0.3C钢组织及其拉伸变形行为的影响北大核心CSCD

采用扫描电镜、准原位电子背散射衍射(EBSD)、X射线衍射和室温拉伸实验,研究了冷轧Fe20Mn0.3C钢在700~1000℃范围内退火1 h后的微观组织及其拉伸变形行为。结果表明,随着退火温度升高材料的屈服强度逐渐降低,而抗拉强度及伸长率则先升高后降低,当退火温度为800℃时,抗拉强度和伸长率达到峰值。800℃退火试样形成了均匀细小且非常稳定的奥氏体晶粒组织,其拉伸变形机制主要为孪生诱导塑性(TWIP效应);当退火温度进一步升高,奥氏体晶粒长大,其稳定性降低,空冷及拉伸过程中均发生马氏体相变,形变机理由TWIP效应转为相变诱导塑性(TRIP效应)。准原位拉伸EBSD研究表明:在拉伸变形过程中,退火试样中的淬火ε马氏体一方面通过γ→ε形式的TRIP效应增厚,另一方面通过ε→α'形式的TRIP效应转变成α'马氏体,而裂纹容易在α'马氏体界面形核扩展,因此,淬火ε马氏体越多,材料的伸长率越低。     

不同变形量中锰轻质钢的拉伸变形行为

采用光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、透射电子显微镜及拉伸试验机等,研究了3种成分的中锰轻质钢在不同变形量(0～30%)时的组织演化和力学性能,并分析了其拉伸行为和变形机制。结果表明:3种试验钢的显微组织均由铁素体和奥氏体两相组成,力学性能良好,其强塑积均超过了30 000 MPa·%。在拉伸变形过程中,锰含量较低的Fe-3. 67Mn-4. 99Al-0. 28C钢中奥氏体含量随着变形量的增加而降低,发生了奥氏体向α’马氏体的渐进式转变,即产生了TRIP效应;锰含量较高的钢在变形过程中发生了TWIP效应,使其具有较好的塑性。Fe-10. 46Mn-5. 14Al-0. 24C钢中还发生了奥氏体向ε马氏体的转变,该转变显著发生在变形量10%～30%之间; Fe-11. 38Mn-5. 36Al-0. 87Cr-0. 52C钢中未发生相变,变形过程中观察到的高密度位错墙可能是其强度较高的原因之一。     

分步拉伸变形对TA15合金超塑性的影响

采用分步变形法对TA15合金在10 kN高温电子拉伸试验机上进行了超塑性拉伸试验,研究了变形温度和预变形量对该合金超塑性性能及微观组织演变。结果表明:变形温度为850~950℃和预变形量为100%~200%时,TA15合金呈现出良好的超塑性;变形温度为900℃和预变形量为150%时,该合金的超塑性能最好,最大延伸率为1456%;变形温度为950℃时,该合金的超塑性能降低,延伸率仅为188%。TA15合金的微观组织状态显示:该合金在拉伸变形过程中微观组织保持等轴状,但是随着变形温度的升高,晶粒开始长大,变形温度越高,晶粒长大越显著。     

Mn含量对1000 MPa级建筑钢表面氧化行为的影响

选取三种Mn含量不同的建筑用1 000 MPa级钢,在相同的条件下进行退火镀锌处理,观察表面氧化物形貌、分析氧化行为,研究Mn含量对1 000 MPa级别建筑钢表面质量的影响。结果表明:Mn含量对1 000 MPa级钢表面质量有影响,钢的表面有氧化物析出;当Mn含量为0.75%和0.85%时,对钢表面抑制层影响不大;当Mn含量为0.95%时,钢表面质量变差。     

温度对CT20合金孪生变形行为的影响

在不同温度(20~300 K)下对CT20钛合金的拉伸变形行为进行研究,并采用金相显微镜、SEM和TEM观察变形组织及断口,揭示温度对CT20孪生变形行为的影响规律.结果表明,随温度降低,CT20合金的抗拉强度提高,伸长率下降,拉伸断口的颈缩程度逐渐减小;220 K的变形组织内出现孪晶,且孪晶数量和尺寸随温度降低均有所增加;300 K温度下合金的拉伸变形以位错滑移为主导,220 K和20 K下为滑移和孪生共同作用.     

相变诱发塑性钢的研究进展

介绍国外以高温形变热处理、连续冷却形变热处理以及监界区退火加中温告示曙淬火等方法在低合金硅锰钢中获得相变塑性的原理和途径,并叙述了冷却过程中的计算机相变模拟原理。重点介绍了各种方法中组织应力与性能的关系。     

Cr含量对65Mn钢淬透性的影响

为研究Cr对65Mn钢淬透性的影响,进行了Cr含量0%～0.5%(质量分数)的四组试样的末端淬火试验,对淬火试样进行了洛氏硬度和组织检验。试验结果表明：随着与试样淬火端部距离的增加,即淬火冷却速度的降低,末端淬火试样组织中马氏体含量由100%降低到0%,硬度由62 HRC降低到23 HRC;Cr元素明显提高65Mn钢的淬透性,0.1%的Cr含量添加约提高50%的淬硬层深度。