Fe-20Mn-3Cu-1.3C TWIP钢的应变与断裂行为研究

论文摘要

本文研究了Fe-20Mn-3Cu-1.3C TWIP钢在不同预应变、应变速率以及温度下的拉伸变形与断裂行为,采用OM、SEM和TEM等手段分析了动态应变时效和孪生诱发塑性对Fe-20Mn-3Cu-1.3C TWIP钢应变及断裂行为的影响。测试了不同预应变（0～0.81）后材料的力学行为并分析了其强化机制。随预应变的增大,TWIP钢屈服强度和抗拉强度大幅提高,从原始试样到最后断裂的总的伸长率也呈上升趋势。除了位错强化以外,预应变时在合金组织中造成大量的空位使得溶质气团能够快速扩散形成足够高的浓度,对位错进行钉扎-脱钉-再钉扎,即动态应变时效作用。在2.5x10-4s～1-2.5x10-2s-1应变速率范围内,该合金抗拉强度先下降后基本保持不变,而伸长率呈先降后升趋势,在2.5×10.3 s-1时合金伸长率最低,光学显微观察发现,在应变速率为2.5×10-3 s-1时在奥氏体基体上分布的变形孪晶密度最小。TEM测试中观察到基体存在大量孪晶,该合金以2.5×10-3s-1的应变速率变形后,此时孪晶片层间距最大,孪晶密度最小,表明孪晶密度越小,塑性越低。对该合金在-100℃～200℃范围内的应变规律和断口组织进行了分析,发现在-100℃～-0℃范围内温度越低抗拉强度越高,在0℃～100℃时,发现强度随温度升高而升高,在100℃达最大值1201.7MPa, 随后,合金强度又随之下降。同时,合金伸长率在试验温度范围内先升后降,在100℃伸长率达到峰值85.4%,强塑积为106217MPa·%,为试验温度范围最优异的综合力学性能。SEM断口形貌分析中可以观察到,在-100℃～100℃范围内,断口韧窝细且浅,而在100℃变形后的断口韧窝宽且深,随温度继续升高,韧窝大小不变,深度变浅。在200℃对TWIP钢进行了不同应变速率的试验,发现应力应变曲线上的锯齿波变得不明显甚至消失,表明该温度不能集合足够强的溶质气团,材料动态应变时效作用大为减弱。断口皆为韧性断口,由于合金变形带来的内摩擦以及高温热效应,合金强度和塑性并未呈现一定的规律。Fe-20Mn-3Cu-1.3C TWIP钢的断裂机制为：变形过程中位错的运动受孪晶界的阻碍,形变孪晶与位错的交互作用使微孔形核于孪晶处,应力集中使微孔长大、聚合直至材料发生断裂。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 TWIP钢
• 1.1.1 TWIP效应
• 1.1.2 TWIP钢的研发历程与现状
• 1.2 动态应变时效
• 1.2.1 动态应变时效定义
• 1.2.2 动态应变时效的宏观表现
• 1.2.3 主要理论与模型
• 1.2.4 动态应变时效的影响因素
• 1.3 层错能对TWIP钢变形机制的影响
• 1.3.1 层错能与孪生
• 1.3.2 影响TWIP钢层错能的因素
• 1.4 应变速率对TWIP钢力学行为的影响
• 1.5 TWIP钢形变及断裂机理
• 1.5.1 TWIP钢形变机理
• 1.5.2 断裂微观理论
• 第二章 试验材料与方法
• 2.1 Fe-20Mn-3Cu-1.3C合金试样的制备
• 2.1.1 熔炼工艺
• 2.1.2 去碳化物处理与热锻工艺
• 2.2 拉伸测试
• 2.3 组织结构观察
• 2.3.1 OM观察
• 2.3.2 ESEM观察
• 2.3.3 TEM观察
• 第三章 预应变对Fe-20Mn-3Cu-1.3C材料变形行为的影响
• 3.1 引言
• 3.2 变形行为测试与分析
• 3.3 变形组织与断口形貌
• 3.3.1 不同预应变显微组织分析
• 3.3.2 断口处显微组织分析
• 3.3.3 扫描断口分析
• 3.4 合金应力应变曲线分析及形变机理探讨
• 3.5 小结
• 第四章 应变速率对Fe-20Mn-3Cu-1.3C变形行为的影响
• 4.1 引言
• 4.2 不同应变速率下合金的变形行为
• 4.2.1 应变速率对Fe-20Mn-3Cu-1.3C合金强度的影响
• 4.2.2 应变速率对Fe-20Mn-3Cu-1.3C合金伸长率的影响
• 4.2.3 Fe-20Mn-3Cu-1.3C合金的应变速率敏感性系数
• 4.3 变形组织与断口形貌观察
• 4.3.1 材料形变前的显微组织特点
• 4.3.2 材料形变后的显微组织特点
• 4.4 Fe-20Mn-3Cu-1.3C TWIP合金的动态应变时效
• 4.5 小结
• 第五章 温度对Fe-20Mn-3Cu-1.3C变形行为的影响
• 5.1 引言
• 5.2 温度对Fe-20Mn-3Cu-1.3C合金变形行为的影响及变形机理
• 5.2.1 温度对合金强度的影响
• 5.2.2 温度对合金塑性的影响
• 5.2.3 温度对合金强韧性的影响
• 5.2.4 变形组织及断口形貌
• 5.3 本章小结
• 第六章 高温不同应变速率下Fe-20Mn-3Cu-1.3C合金变形与断裂行为
• 6.1 引言
• 6.2 高温下不同应变速率变形合金力学性能与变形机理
• 6.2.1 Fe-20Mn-3Cu-1.3C合金钢应力应变曲线
• 6.2.2 变形组织及断口形貌
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文