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含稀土TRIP/TWIP钢的微观结构和变形行为研究

王立辉  
【摘要】:随着汽车轻量化的不断发展,先进高强度钢在汽车上的应用比例大幅增加。然而,具有单一TRIP效应的相变诱导塑性钢延展性不足,具有单一TWIP效应的孪晶诱导塑性钢Mn含量(25%以上)过高,工业化生产难度大且成本高。同时,该类钢组织中含有奥氏体,因奥氏体属面心立方点阵结构,其每个间隙尺寸较传统钢的体心立方点阵每个间隙尺寸大,在冶炼、后续热处理和应用过程中易吸氢,导致所制造的汽车零部件延迟断裂现象发生。出于降低Mn含量并添加稀土元素抑制吸氢来改善钢板的综合机械性能考虑,开展含稀土TRIP/TWIP钢的研究意义显著。本论文针对含稀土(La和Ce)TRIP/TWIP钢的微观结构和变形行为进行研究,采用不含稀土和含不同量稀土的试验钢对比研究的思路。综合利用静态拉伸试验机、高速拉伸试验机、弯曲试验机、回弹试验机、定氢仪、光学显微镜、X-射线衍射仪、能谱仪、扫描电镜结合电子背散射衍射装置、透射电镜等设备仪器对所设计的试验钢基本力学性能、层错能、微观组织结构、动态力学性能、延迟断裂行为、回弹性能以及弯曲性能进行了测试分析。具体针对以下几个方面进行了研究:(1)在查阅文献的基础上,提出了3种不同稀土(La和Ce)含量的TRIP/TWIP钢成分设计思路。具体钢种成分体系如下:试验钢01,0.45C-0.10Si-17.5Mn-0.05Al;试验钢02,0.035RE-0.45C-0.10Si-17.5Mn-0.05Al;试验钢03,0.061RE-0.45C-0.10Si-17.5Mn-0.05Al;通过试验工厂的真空感应炉冶炼、800mm热轧机轧制、250mm冷轧机轧制和实验室热处理设备上热处理的工艺路径对上述试验钢试验样进行制备。(2)对试验钢在2种热处理温度下的力学性能和显微组织进行了研究。研究结果表明,试验钢02经840℃均热温度的热处理条件下,获得了良好的力学性能(屈服强度为452MPa,抗拉强度为1021MPa,延伸率为51.5%,应变硬化指数为0.406),达到了980MPa级TWIP钢的力学性能指标。相对试验钢01,其强度有所提高而延伸率并未明显改变,而试验钢03强度增加但延伸率和应变硬化指数下降明显。试验钢显微组织均主要为奥氏体,退火工艺中均热段温度升高则形变孪晶数量增加,稀土含量增加则形变孪晶数量减少,这说明均热段温度升高利于TWIP效应发生而稀土抑制了TWIP效应。(3)对试验钢物相组成和层错能进行了研究。研究结果表明,试验钢变形前以fcc结构的(111)γ衍射峰为主和hcp结构的(2021)ε衍射峰为辅,试验钢变形后ε衍射峰增强并出现了bcc结构(110)α[衍射峰且试验钢03出现了(200)a衍射峰,试验钢02和试验钢03较试验钢01的(110)a衍射峰强,这说明试验钢在拉伸变形过程中发生了TRIP效应且稀土促进了TRIP效应。层错能结果显示,含稀土元素的试验钢02和试验钢03较不含稀土的试验钢01层错能低,导致试验钢02和试验钢03的γ相稳定性减弱且在外力作用下发生γ→ε→α或γ→a马氏体相变能力增强即TRIP效应增强。(4)对在840℃的热处理工艺下试验钢的微观结构进行了详细研究。研究结果表明,随着稀土含量的增加,应变诱导马氏体量、大角度晶界、∑=3重位点阵增多及{111)面织构增强,而奥氏体晶粒尺寸、形变孪晶数量和位错密度减少,而且,试验钢01形成了孪晶马氏体而试验钢02和试验钢03形成了位错马氏体,导致微观结构的变化原因主要是稀土改变了试验钢的层错能。应变诱导马氏体量的增加证实稀土促进了TRIP效应,形变孪晶数量减少说明稀土抑制了TWIP效应,大角度晶界的增多起到了细化奥氏体晶粒的作用,∑=3重位点阵增多和{111}面织构增强可改善试验钢的冲压成形性能。(5)对试验钢02动态应变行为和3种试验钢的延迟断裂行为进行了研究。研究结果表明,当应变速率达到1×103时,试验钢02能量吸收值仍可达到31.9GPa%,这说明其具有良好的碰撞能量吸收能力。试验钢02、03相对试验钢01,氢浓度减少约12ppm且充氢前后断裂强度几乎没有变化,试验钢01充氢后断裂强度减少102MPa,这说明稀土的添加抑制了氢的侵入且增强了试验钢抗延迟断裂性能。稀土本身具有氢陷阱作用,另外,稀土的添加细化了试验钢奥氏体晶粒促使晶界面积增加而分散了氢在晶界分布,而且稀土导致试验钢微观组织中的位错密度减少和∑=3重位点阵增多,降低了氢的侵入从而抑制了氢在晶界的偏聚。(6)对试验钢02回弹行为和3种试验钢冷弯曲行为进行了研究。研究结果表明,回弹角随弯曲半径和名义张紧力的增加而减小,名义张紧力大小对回弹角的影响占主导,名义张紧力超过0.73且弯曲半径在12.7mm时,试验钢02回弹角(9。)低于传统工业化生产的DP800双相钢回弹角,这说明在冲压成形中应尽量设置较大的压边力和拉延力及较大的模具半径,试验钢回弹量会降低并满足所制造零部件要求。在弯曲]80。条件下,试验钢01和试验钢03弯心直径达到钢板厚度时性能合格,试验钢02弯心直径达到钢板厚度的1/2时性能合格,这说明添加0.03%稀土含量的试验钢02弯曲性能最优。稀土在钢中微量固溶,部分稀土在钢中以夹杂物形式存在,试验钢弯曲性能受到了夹杂物的影响。试验钢01夹杂物为硫化锰和因金属锰带入的硒化物,试验钢02、03夹杂物主要为稀土硫化物和稀土硫氧化物,试验钢03还有少量稀土与铁的金属间化合物夹杂,稀土在钢中起到对夹杂物变质作用;试验钢01夹杂物为长条形,试验钢02、03夹杂物变成椭球形,稀土在钢中起到对夹杂物球化作用;稀土对夹杂物的变质改性和形态与分布的影响提高了试验钢冷弯性能,但因稀土过量带入过多夹杂物,试验钢03冷弯性能并未提高。(7)对试验钢的变形机制进行了探讨。试验钢均以TWIP效应为主,以TRIP效应为辅,形变诱导孪晶和形变诱导马氏体相变是本论文试验钢的主要变形机制。含0.035%稀土的试验钢具有优异的综合机械性能,其稀土添加量少且锰含量大幅降低。


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