含钒低碳低硅相变诱发塑性钢的组织和性能的研究

论文摘要

本论文在研究含钒TRIP钢的处理工艺、组织和力学性能之间关系的基础上，成功地开发了低碳、低硅、含钒、含铝TRIP钢，该钢的最高强塑积可达22000MPa％，与传统的低碳高硅TRIP钢的性能相当。论文对新TRIP钢的静态和动态力学性能、残余奥氏体在静态和动态载荷下的转变动力学、残余奥氏体热稳定性、可镀锌性能进行了研究。论文主要内容描述如下。为了了解钒对TRIP钢组织和力学性能的影响，比较研究了含钒TRIP钢和无钒TRIP钢的显微组织随退火温度的变化规律。发现钒的添加，可以有效的提高TRIP钢的残余奥氏体相对量，无钒钢经780℃×5min+400℃×5min处理后可以获得最高的残余奥氏体量，为10％；含钒钢经740℃×5min+400℃×5min和800℃×5min+400℃×5min处理后可以获得最高的残余奥氏体量，为近15％。比较研究了含钒TRIP钢和无钒TRIP钢的力学性能随退火温度的变化规律。发现，钒提高了TRIP钢的强度，0.1wt％V的添加，可以使TRIP钢的强度提高60MPa；但是，钒的添加，损害了TRIP钢的塑性，0.1wt％V的添加，可以使TRIP钢的均匀延伸率下降0.1。研究还发现，TRIP钢的应力应变曲线都符合幂函数σ=Kεn规律。无论是含钒钢还是无钒钢，经相同退火温度处理的TRIP钢的强塑积都高于DP钢的强塑积，说明残余奥氏体对于提高钢的强塑积有重要的作用。在上述研究含钒TRIP钢的组织和力学性能的基础上，成功开发了低碳、低硅、含钒、含铝TRIP钢，新TRIP钢的具体成分是C：0.11％，Mn：0.8％，Si：0.55％，Al：1.0％，V：0.1％。论文研究了新TRIP钢的显微组织和力学性能随两相区退火温度的变化规律。发现，新TRIP钢含有较高的残余奥氏体量，最大值可达18％。说明钒和铝的复合添加，可以有效的提高TRIP钢的残余奥氏体量。新TRIP钢经760℃×5min+400℃×5min处理后可以获得最高的强塑积，达到22000MPa％，与传统的低碳高硅TRIP钢的性能相当。新TRIP钢具有高的n值，达到0.24，说明新TRIP钢有好的加工硬化性能，这对于汽车用钢是非常重要的。在动态冲击拉伸试验机上，研究了新TRIP钢在动态载荷下的力学性能变化规律，试验的应变率变化范围为400／s-1500／s。发现，新TRIP钢具有应变率敏感性。随应变率提高，新TRIP钢的强度、延伸率都提高，最大动态强塑积为近30000MPa％，远高于静态性能。研究了新TRIP钢中残余奥氏体在静态和动态载荷下的转变动力学。发现，方程v=1-e-Ax可以表征残余奥氏体在静态和动态载荷下的转变动力学，其中的A表征残余奥氏体随应变发生转变的速率。A越小，转变速率越慢，表示有更多的残余奥氏体可以留在变形的后期发生转变，进而可以提高TRIP钢的强塑性。与残余奥氏体量相比较，A值是影响新TRIP钢强塑积的更重要因素。不同的两相区热处理可以改变A值的大小，进而改变TRIP钢的力学性能。论文用DSC方法研究了新TRIP钢残余奥氏体的热稳定性。通过比较含残余奥氏体和不含残余奥氏体试样的DSC曲线，确定了TRIP钢残余奥氏体的热分解峰。新TRIP钢的残余奥氏体热分解温度范围为400～600℃，明显高于淬火碳钢中残余奥氏体的热分解温度。论文用Kissinger方法计算了新TRIP钢残余奥氏体热分解的激活能，其值变化范围为120-137KJ／mol。用JMA方程拟合获得了新TRIP钢残余奥氏体热分解动力学因子，据此计算的残余奥氏体热分解曲线与从DSC获得的实验结果有较好的吻合。本工作为研究TRIP钢残余奥氏体热稳定性提供了一种简便、可靠的方法。在实验室的热镀锌试验机上进行了TRIP钢的热镀锌试验研究，通过选定合适的气氛露点控制等工艺条件，对含硅量达0.55wt％的新TRIP钢，成功的实现了热镀锌，并研究了不同的锌液成分对新TRIP钢镀锌层的表面形貌和构成组织的影响。发现，镀锌液的成分对TRIP钢锌层的表面形貌和构成有重要的影响，经0.5％Al+Zn热镀锌后，锌层的表面为50μm左右的等轴晶粒，锌层中组织主要由纯锌、Zn+Al+Fe和Zn+Fe组织构成；经5％Al+Zn热镀锌后，锌层的表面为1～3mm的树枝晶，锌层中组织主要由Zn+A1、Zn+Al+Fe组织构成，没有Zn+Fe组织，说明锌液中的铝抑止了Zn+Fe组织的形成。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 先进高强度钢在汽车中的应用
• 1.2 相变诱发塑性
• 1.3 TRIP钢生产过程中的相变
• 1.4 成分对TRIP钢的影响
• 1.5 本论文研究的意义和内容
• 第二章 试验方法
• 2.1 引言
• 2.2 材料制备
• 2.3 热处理
• 2.4 TRIP钢显微组织测试
• 2.5 TRIP钢静态力学性能测试
• 2.6 TRIP钢动态力学性能测试
• 2.6.1 冲击拉伸试验机
• 2.6.2 测试原理
• 2.7 热分析
• 2.8 热镀锌
• 2.8.1 热镀锌模拟试验机
• 2.8.2 热镀锌试验过程
• 第三章 含钒TRIP钢的显微组织
• 3.1 引言
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 材料制备
• 3.2.2 显微组织检测
• 3.3 试验结果
• 3.3.1 显微组织的光镜形貌
• 3.3.2 显微组织的TEM形貌
• 3.3.3 组织相对量
• 3.4 讨论
• 3.4.1 两相区退火温度对铁素体相对量的影响
• 3.4.2 钒碳化物的低温溶解
• 3.4.3 钒对残余奥氏体相对量的影响
• 3.5 结论
• 第四章 含钒TRIP钢的静态拉伸性能
• 4.1 引言
• 4.2 试验过程
• 4.3 结果和讨论
• 4.3.1 退火温度和钒对屈服行为的影响
• 4.3.2 退火温度和钒对试验钢屈服强度的影响
• 4.3.3 退火温度和钒对试验钢抗拉强度的影响
• 4.3.4 退火温度和钒对试验钢延伸率的影响
• 4.3.5 退火温度和钒对试验钢强塑积的影响
• 4.3.6 退火温度和钒对试验钢加工硬化率（n值）的影响
• 4.3.7 试验钢应力应变曲线的拟合
• 4.4 结论
• 第五章 热处理对含钒、铝TRIP钢的显微组织和力学性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 试验钢的化学成分和热处理
• 5.3 试验结果和讨论
• 5.3.1 TRIP钢相变临界点的测定
• 5.3.2 热处理对TRIP钢显微组织的影响
• 5.3.3 热处理温度对TRIP钢力学性能的影响
• 5.3.4 试验钢的动态力学性能
• 5.4 结论
• 第六章 残余奥氏体转变动力学测试和分析
• 6.1 引言
• 6.2 试验过程
• 6.3 试验结果
• 6.3.1 残余奥氏体转变动力学测试结果
• 6.3.2 残余奥氏体转变动力学拟合
• 6.3.3 残余奥氏体转变动力学分析
• 6.3.4 试验钢的动态残余奥氏体转变规律
• 6.4 结论
• 第七章 TRIP钢中残余奥氏体的热稳定性
• 7.1 引言
• 7.2 实验方法
• 7.2.1 试样制备
• 7.2.2 DSC测试和分析方法
• 7.3 试验结果和讨论
• 7.3.1 残余奥氏体热分解峰的判断
• 7.3.2 A3钢的残余奥氏体热分解动力学
• 7.3.3 高碳FeMnSi合金的奥氏体热分解动力学
• 7.3.4 有关TRIP钢中残余奥氏体热分解动力学的一些讨论
• 7.4 结论
• 第八章 TRIP钢的热镀锌试验
• 8.1 引言
• 8.2 实验过程
• 8.2.1 试验钢的成分和热镀锌试样制备
• 8.2.2 热镀锌工艺
• 8.3 试验结果
• 8.3.1 热镀锌层的表面宏观形貌
• 8.3.2 镀锌层厚度
• 8.3.3 镀锌层的显微组织形貌
• 8.3.4 镀锌层SEM观测结果
• 8.3.5 初步的讨论
• 8.4 结论
• 第九章 总结
• 本文的创新点
• 攻读博士学位期间发表的论文和申请的专利
• 致谢