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Fe-Mn-C(-Al)系TWIP钢冶炼与凝固相关基础研究

刘洪波  
【摘要】:TWIP 钢被称为孪晶诱导塑性钢(Twinning Induced Plasticity steel),兼具高抗拉强度、高延伸率和强能量吸收能力,能够抵御撞击时钢铁材料的塑性变形。Fe-Mn-C(-Al)系TWIP钢被认为是具有较好发展前景的新一代汽车用钢材料。但是,TWIP钢中较高的Mn和Al含量为其工业化生产带来前所未有的挑战。而且,相关的冶炼与凝固特性方面鲜有报道,这阻碍了 TWIP钢在汽车工业中的研发及应用。本文主要针对Fe-Mn-C(-Al)系TWIP钢的冶炼、凝固特性以及铸态热塑性等方面问题进行了系统的研究,以期为该钢种的进一步研究及工业化生产提供指导。主要研究内容如下:(1)针对采用CO2和O2混合喷吹实现脱碳保锰冶炼TWIP钢这一新方法进行了基础研究,通过热力学分析、软件模拟计算以及实验室等多种手段研究了CO2对TWIP钢冶炼过程中脱碳保锰效果的影响。Factsage软件模拟计算结果表明,采用含一定比例CO2的混合气体冶炼TWIP钢时,可以明显降低高锰钢熔体中锰的挥发和氧化损耗;采用管式电阻炉式炉研究了不同CO2比例、不同气体流量对脱碳保锰效果的影响,研究结果表明,在脱碳量相似时,高锰钢熔体中的保锰效果随着CO2比例的提高而提高,混合气体流量对脱碳保锰效果影响有限。(2)采用Thermo-calc软件的Scheil模型模块在非平衡条件下计算了Fe-(16~20)Mn-(0.4~0.8)C-(0~3)Al多元体系TWIP钢液相线温度,得到了适用于TWIP钢的液相线温度计算公式。对比研究发现,该公式与实测值相差不大,误差在8℃以内,具有较高的可靠性;本文以Fe-(12~20)Mn-(0.02~1)C-(0.05~5)Al多元体系TWIP钢为对象,计算Mn、C、Al等合金元素对TWIP钢凝固过程中相变点温度的影响,分析了不同体系成分TWIP钢的凝固模式。(3)通过对TWIP钢铸锭进行钻屑取样分析,研究了 TWIP钢中溶质元素的宏观偏析,结果显示在铸锭从边缘向中心的方向上未发现明显的宏观偏析现象;通过多尺度熔炼,对含不同Mn和C含量的TWIP铸锭和定向凝固试样中进行取样,采用电子探针技术结合显微偏析模型研究了 TWIP钢中元素的微观偏析,研究发现随着凝固率的提高,Mn元素偏析指数逐渐增大,Al元素的偏析指数逐渐减小,C元素的偏析指数变化不大,基本在1附近。当TWIP钢中Mn元素的含量分别为14.94 wt%、18.21 wt%和23.6 wt%时,对应的C元素的偏析指数的范围分别为0.85~1.16、0.76~1.22和0.74~1.32,即随着TWIP钢中Mn元素含量的增加,C元素的偏析逐渐加重。(4)采用扫描电镜、X射线能谱仪以及扫描电镜配置的夹杂物自动扫描统计软件考察了 Al质量分数在0.002%~1.59%的四种TWIP钢中夹杂物的特征和Al含量对AlN析出行为的影响。研究表明,当钢中Al质量分数升高至0.75%时,AlN夹杂物开始在钢中析出,并在MnS(Se)-Al2O3上局部析出形成MnS(Se)-Al203-AlN复合夹杂;当Al质量分数升高至1.07%时,热力学计算表明AlN可以在TWIP钢液相中形成,经不断长大后在MnS(Se)夹杂物表面局部析出形成MnS(Se)-AlN复合夹杂物;在Al质量分数为1.59%的TWIP钢中,AlN的平衡析出温度比其液相线温度高出42 ℃,在液相中形成的AlN可以作为异质核心,MnS(Se)夹杂在其表面包裹形成MnS(Se)-AlN复合夹杂物。在 Fe-18.21%Mn-0.64%C-1.59%Al 体系的 TWIP 钢中,AlN 在液相中析出所需的最低氮的质量分数仅为0.0043%。(5)应用Gleeble-3500热模拟试验机测定不同成分TWIP钢在700~1200℃范围内的热拉伸行为。通过对相变、基体均质性、拉伸断口分析、钢中析出粒子、动态再结晶等因素进行讨论分析,确定了 TWIP钢铸态热塑性的变化规律及断裂机制。研究表明,钢中较高的Mn和Al含量明显抑制了 TWIP钢试样中动态再结晶的发生,颈缩区发生晶界滑移进而形成沿晶界的微裂纹是TWIP钢的主要断裂机制。在TWIP钢断口的晶界上以及晶界附近出现了大量的MnS-AlN/AlN颗粒,其平均尺寸约为564nm,这些细小的颗粒有效的钉扎了 TWIP钢奥氏体晶界,推迟了动态再结晶的发生;同时,MnS-AlN/AlN颗粒会导致晶界强度弱化,加速裂纹的生长,促进了晶界滑移,这也是TWIP钢热塑性较差的重要原因之一。


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