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高强度和超高强度相变塑性钢的开发和研究

张梅  
【摘要】: 本文用ThermoCalc软件进行了TRIP钢的成分设计,在热力学计算的基础上,确定了TRIP钢的热处理工艺,据此制备了低碳低硅和微合金TRIP钢。并研究了多种TRIP钢的性能,实现了相变诱发塑性钢(TRIP钢)在汽车中的应用。 论文主要内容如下: 1.用ThermoCalc软件进行了材料的热力学计算(包括平衡态和偏平衡态的计算),设计了可热镀锌低碳低硅TRIP和超高强度微合金TRIP钢的成分。依此确定了热处理工艺并制备了多种TRIP钢。 2.研究了低碳低硅TRIP钢SH的成形性能,发现其FLD_0达到27.2%,成形性良好。TRIP钢的断裂机理为等轴铁素体先发生变形,形成微孔洞,然后微孔洞按一定取向在铁素体中贯穿扩展、贯通形成裂纹,裂纹遇到硬质相贝氏体时沿其边缘行走,遇到残余奥氏体时,应力集中促使相变诱发塑性,松弛集中应力,形成裂纹钝化,而后裂纹扭折、转向继续扩展。 3.SH钢拉拉疲劳的疲劳极限σ_(0.1)为405MPa,符合σ_(0.1)=774-0.0398lgN公式。低周疲劳的循环应变硬化系数n′=0.1887,循环强度系数K′=1547MPa;符合(Δε_t)/2=1265/(2.05×10~5)(2N_f)~(-0.1122)+0.3396·(2N_f)~(-0.5929)公式。裂纹扩展门槛值ΔK_(th)为229MPa(mm)~(1/2),符合(da/dN)=4.130475×10~(-13)(ΔK)~(2.772)公式。较高的疲劳强度和裂纹扩展门槛值表明SH钢具备良好的疲劳性能。 4.开发了780MPa和980MPa级别的微合金TRIP钢1#、2#和4#,延伸率均达到20%左右。1#、2#和4#微合金TRIP钢激光焊接的焊缝均没有出现冷裂纹和其它缺陷。激光焊接熔融区和融合线附近得到全马氏体组织,相应区域的硬度也最高。随碳当量提高焊缝的最高硬度升高。激光焊接小试样的单向拉伸性能明显变差,而Erichsen杯突试验发现激光焊接板的成形性能较好。 5.用GMAW焊接方法研究TRIP钢的可焊性发现,SH钢和B钢焊缝综合机械性能试验结果均显示焊缝具有足够的强度;室温和-20℃时焊缝金属和热影响区也均具有相当高的抗冲击能力,高于27J/cm~2。由于TRIP钢较高的合金元素含量增加了材料的冷裂敏感性,在焊接结构定型和不预热的情况下只有严格控制焊缝中的含氢量才能防止冷裂纹,需控制保护气体的纯度大于99.8%。T型接头焊接裂纹试验、CTS裂纹试验和斜Y坡口焊接裂纹试验均表明TRIP钢SH与B均具有良好的抗裂纹能力。SH钢焊接裂纹试验的结果为表面裂纹率、断面裂纹率和根部裂纹率全部为0,B钢焊接裂纹试验中,除了Y坡口焊接裂纹试验的断面裂纹率为3.4%(也低于具有抗裂纹敏感性的断面裂纹率经验值10%)外,其余试验的裂纹率也全部为0。试验表明与B钢相比SH钢可焊性更好。 6.微合金化TRIP钢气体保护焊焊接模拟的热影响区粗晶区(CGHAZ)组织和性能研究发现CGHAZ的冲击韧性值随着碳当量的提高呈明显下降趋势。单独添加V对改善TRIP钢的CGHAZ性能不起明显作用。Ti和V复合添加对改善TRIP钢的CGHAZ性能起明显作用。热力学预测计算的结果与实际完全一致,证明Ti和V复合的第二相碳氮化物粒子是阻碍奥氏体晶界移动并阻止晶粒长大,使TRIP钢的CGHAZ性能改善的主要原因。 7.在应用研究中采用CAE仿真分析方法,大大缩短了试制周期并减少了开发费用,探索了抑制TRIP钢成形回弹量的方法。TRIP钢在汽车中的应用获得了巨大成功,制成的多种复杂汽车零件减重达到19.6%-25%,轻量化效果显著。


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