C对Fe-Mn-Cu-C系TWIP钢层错能及孪生诱发塑性行为的影响

论文摘要

本文设计了3种不同C含量的Fe-20Mn-3Cu-XC（X=0.23、0.83、1.41; wt%）孪生诱发塑性（Twinning Induced Plasticity, TWIP）钢,通过拉伸力学性能测试,结合X射线衍射（XRD）、光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）以及透射电子显微镜（TEM）等现代表征技术,研究了C元素含量对TWIP钢层错能、显微组织、力学性能以及拉伸应变硬化行为的影响,并对TWIP钢的形变微观机制以及诱发塑性机制进行了较为系统的探讨。主要研究成果如下：（1）采用X射线峰位移法与热力学计算方法对不同C含量TWIP钢的层错能进行了测定,并对TWIP钢拉伸变形前后组织进行了X射线衍射分析。结果表明,C可以提高TWIP钢的层错能,抑制γ→ε马氏体相变,利于形变孪晶和TWIP效应产生。Fe-20Mn-3Cu-XC系TWIP钢拉伸过程中无马氏体相变发生。（2）利用OM观察了TWIP冈形变过程中的显微组织。结果表明,奥氏体中形变孪晶数量随着形变量增大而增加；C含量增加推迟了初始形变孪晶的产生,但是随应变量增大,形变孪晶的形成速率随C含量增加而提高。（3） Fe-20Mn-3Cu-XC合金的力学性能测试结果表明,随着C含量增加,TWIP钢的屈服强度、抗拉强度以及伸长率均显著提高。Fe-20Mn-3Cu-1.41C合金的屈服强度为501.62MPa,抗拉强度为1178.4MPa,伸长率达到90.4%,具有优异的综合力学性能。TWIP钢优异的应变硬化能力,是位错滑移与形变孪晶强化共同作用的结果。低应变阶段,位错强化起主导作用,当应变量增大到一定程度后,孪晶强化起主导作用。应变硬化指数n值随碳含量的增加而增大,碳含量由0.23wt.%增加至1.41wt.%,TWIP钢的应变硬化指数n由0.602增大为0.782。（4）采用SEM观察了TWIP钢拉伸断裂后的组织形貌。结果表明,Fe-20Mn-3Cu-XC系TWIP钢的拉伸断口为典型的韧性断裂特征,呈细小、均匀等轴韧窝结构,碳含量的增加有利于提高TWIP钢的断裂韧性。（5）以Fe-20Mn-3Cu-1.41C TWIP钢为例,采用TEM对其形变过程中的微观结构进行了观察,探讨了诱发塑性机制。结果表明,形变量较低时,位错的滑移与增殖作为塑性变形的主要机制；随着形变量的增大,形变孪晶以及二次孪晶形成,孪晶强化起主导作用。大量位错的产生为形变孪晶的形成提供潜在的形核位置,位错的塞积、形变孪晶的形成、位错与孪晶以及孪晶间的交互作用共同引起材料强度、塑性的提高。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 TWIP效应的提出
• 1.3 TWIP钢的研究现状与发展前景
• 1.3.1 研究现状
• 1.3.1.1 国外TWIP钢的研究现状
• 1.3.1.2 国内TW1P钢的研究现状
• 1.3.2 发展前景
• 1.4 TWIP钢的强化机制
• 1.4.1 位错强化
• 1.4.2 晶界强化
• 1.4.3 马氏体相变强化
• 1.4.4 孪晶强化
• 1.5 TWIP钢中的层错能
• 1.5.1 层错能的定义
• 1.5.2 层错能的计算方法
• 1.5.3 层错能对TWIP效应的影响
• 1.6 合金元素对TWIP效应的影响
• 1.6.1 Mn元素
• 1.6.2 C元素
• 1.6.3 Si元素
• 1.6.4 Cu元素
• 1.7 课题的提出与研究内容
• 1.7.1 选题依据
• 1.7.2 研究意义
• 1.7.3 研究内容
• 第二章 材料制备与实验方法
• 2.1 实验材料的制备
• 2.1.1 化学成分设计
• 2.1.2 熔炼工艺流程
• 2.2 热处理及轧制工艺
• 2.3 显微组织观察与结构分析
• 2.3.1 金相组织观察
• 2.3.2 断口形貌观察
• 2.3.3 TEM观察
• 2.3.4 X射线衍射分析
• 2.4 室温拉伸试验
• 第三章 碳含量对Fe-20Mn-3Cu-XC系TWIP钢层错能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 层错能测定方法及机理
• 3.2.1 X射线峰位移法测定层错几率
• 3.2.1.1 试验方法
• 3.2.1.2 层错几率的定义
• 3.2.1.3 X射线衍射峰位移法
• 3.2.2 热力学模型计算层错能
• 3.3 结果分析及讨论
• 3.3.1 物相分析
• 3.3.2 X射线峰位移法测定结果
• 3.3.3 热力学模型计算结果
• 3.3.4 分析讨论
• 3.4 本章小结
• 第四章 碳含量对Fe-20Mn-3Cu-XC系TWIP钢组织与性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 Fe-20Mn-3Cu-XC合金的组织观察与分析
• 4.2.1 铸态组织
• 4.2.2 拉伸前的显微组织
• 4.2.3 变形后的显微组织
• 4.3 Fe-20Mn-3Cu-XC合金拉伸力学性能测试及分析
• 4.3.1 拉伸力学性能
• 4.3.2 应力-应变曲线
• 4.3.3 能量吸收能力
• 4.4 拉伸断口分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 Fe-20Mn-3Cu-XC系TWIP钢的变形行为与孪生诱发塑性机制
• 5.1 引言
• 5.2 C含量对形变孪晶形成的影响
• 5.3 拉伸应变硬化行为
• 5.3.1 C含量对n值的影响
• 5.3.2 应变硬化机制
• 5.4 诱发塑性机制的探讨
• 5.4.1 TWIP钢中的孪晶
• 5.4.2 不同应变量下的位错组态观察
• 5.4.3 不同应变量下的TEM观察
• 5.5 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