近年来,全国汽车总量不断增加,导致由汽车排放产生的尾气以及能源消耗等问题日益严重。如何提高汽车用65锰钢板薄板钢的强塑积,尽可能实现汽车轻量化的同时兼顾驾驶,实现节能减排、低耗等价值成为关注和研究热点。目前,中锰钢（锰含量一般在3～11wt%）作为第3代先进高强钢,因其具有优异的抗拉强度、伸长率、强塑积、耐撞性和性,所以其在汽车板的应用中具有极大发展前景。本文设计了 5Mn,5Mn-Nb-Mo和4Mn-Nb-Mo三种不同成分体系中锰钢,主要研究了多种组织调控热处理工艺后实验钢的组织演变、力学性能、加工硬化行为、强塑化机理、奥氏体稳定性和TRIP效应。
为中锰钢的性能优化以及工业化应用提供实验和理论基础。65mn锰冷轧钢板本文获得主要实验结果归纳如下:（1）5Mn实验钢的 奥氏体逆相变（ART）工艺参数为:625℃温度下临界退火4h并水冷至室温。热轧+ART、温轧+ART和冷轧+ART实验钢均表现出优异的强塑积,其中500℃温轧+ART实验钢性能 ,残余奥氏体（RA）含量达到56.8%,抗拉强度为1001MPa,伸长率为57.5%,强塑积可达57.6GPa·%。（2）淬火和回火（Q&T）工艺处理后的5Mn-Nb-Mo冷轧实验钢力学性能优于热轧实验钢。
65mn锰冷轧钢板实验钢在625～675℃临界退火30min水淬,随后在200℃回火15min,获得了优异的综合性能,即RA含量 可达到39%,抗拉强度为1059～1190MPa,伸长率为33～40%,强塑积为33.9～41.0GPa·%。 冷轧CR-650试样与佳热轧HR-650试样相比,前者的韧窝尺寸更大更深,进而表现出更为优异的伸长率。
相应的研究结果分别如下:相图计算及膨胀仪热模拟结果表明,65mn锰冷轧钢板Al元素有效拓宽了临界区温度工艺窗口;DICTRA软件对具有相同平衡态两相比例临界区奥氏体化过程的元素配分模拟显示Al元素的添加显著了合金元素（尤其是有利于锰铝等置换元素）的扩散效率,有助于残留奥氏体中碳锰元素的富集与稳定;高铝添加导致δ铁素体存留至室温,降低了含铝中锰TRIP钢抗拉强度的同时了PLC现象;原位拉伸SEM中δ铁素体内大量交错的位错滑移带证明了其良好的应变协调性。
临界区奥氏体化温度通过调控临界区奥氏体比例实现含铝中锰钢的多元强度级别设计。相较含铝中锰TRIP钢而言,以回火马氏体组织为主要基体“骨架”的含铝中锰IQ-TP钢展现出更高的屈服强度;XRD和APT检测到残留奥氏体内的碳锰元素富集、相界面处锰铝元素的偏聚等现象证明了回火配分阶段合金元素的局部平衡（LE）。65锰冷轧钢板IQ--TP工艺下临界区奥氏体化及回火过程两阶段的元素配分促进了残留奥氏体碳锰元素的富集,同时回火马氏体组织切割细化了残留奥氏体晶粒进一步增加了其稳定性,
65锰钢板因而含铝中锰IQ-TP钢表现出优异的力学性能。以4Mn1Al钢为例,其热轧IQ-TP钢,抗拉强度达1425±43MPa,同时延伸率25.9±3.8%,均明显优于含铝中锰TRIP钢抗拉强度1345MPa,延伸率18.9%的 力学性能。而4Mn2Al热轧IQ-TP钢抗拉强度达1319±39MPa,延伸率27.4±1.1%。膨胀仪组织热模拟及EPMA成分分析证实了含铝中锰TRIP钢冷轧退火组织的异常长大现象受控于锰铝元素偏析下关键温度区间的加热速率。富Al贫Mn区抑制了奥氏体的形核,慢加热速率为形变马氏体的再结晶行为及晶粒长大提供了充分的动力学条件。超细晶冷轧含铝中锰TRIP钢由于其较小的位错运动平均自由程,具有明显的屈服平台。异常长大的铁素体带提供了应变初期较高的加工硬化率,有利于缩短材料的屈服平台延伸率。而含铝中锰IQ-TP钢由于马氏体组织及几何必要位错的存在呈现出连续屈服特征。含铝中锰IQ-TP钢的塑性主要源于软相板条形态铁素体的“润滑剂”效应以及残留奥氏体的持续性TRIP效应。
目前,随着第三代汽车用现金高强65锰钢板的开发,越来越多的高品质中锰钢出现。中锰钢内有大量亚稳奥氏体组织,在变形过程中伴随着相变的发生,能够提高材料的强度和塑性。但目前科研人员大多聚焦在中锰钢成分及组织调控方面,对于中锰钢实际应用鲜有关注。本文基于原位扫描电镜观察,DIC光学实验观察,XRD检测分析及不同应变量样品的透射电镜观察分析研究了5Mn中锰钢单轴拉伸过程中的变形机理,结合观组织表征、力学性能测试和仿真分析,探索中锰钢成形性能、强韧化机理及实际生产可行性。
5Mn中锰钢强塑积可达到30GPa.%以上,基体为铁素体及奥氏体组织,可能存在冷轧及热处理引入的少量板条马氏体,其中奥氏体分为大晶粒和小晶粒两种类型,大晶粒奥氏体稳定性低于小晶粒奥氏体。单轴拉伸过程中,屈服阶段奥氏体向马氏体转变的转变量较少,因此吕德斯应变仅为1%左右（远低于同类中锰钢）,屈服结束后较多大晶粒奥氏体发生相变,20%变形后大量小晶粒奥氏体发生相变。由于奥氏体晶粒较小,因此相变产生的可动位错数量适中,产生连续传播的A型PLC带。部分大晶粒奥氏体在变形过程中出现层错,其相变过程为奥氏体—ε马氏体—α’-马氏体。本文通过埃里克森杯突实验,扩孔实验及成形极限实验研究了5Mn中锰钢的成形性能。65mn锰冷轧钢板钢拥有良好的杯突性能,在光洁区域杯突值可达到12mm以上。实验采用激光切割,线切割及冲孔三种预制孔加工工艺研究制孔工艺对扩孔性能的影响,结果显示线切割制孔样扩孔性能 ,激光切割制孔样扩孔性能为稳定,冲孔样由于冲孔过程中局部材料存在相变及加工硬化,因此扩孔性能
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结果表明,65锰钢板当变形方式由简单剪切变为单向拉伸再变为平面应变 变为等双拉时,奥氏体的稳定性逐渐下降。通过EBSD观察发现,不同变形方式下,随着应变量的增加,奥氏体逐渐发生畸变,部分奥氏体发生马氏体相变,铁素体内部几何必要位错密度增加。结合织构分析、Schmid因子及外力所做功的计算可知,变形方式由单向拉伸变为平面应变再变为等双拉时,奥氏体Schmid因子增加,同时机械外力所做的功上升,两种因素共同作用导致奥氏体的稳定性下降。而在简单剪切变形时,奥氏体Schmid因子较高,而机械外力所做的功 ,机械外力产生的相变驱动力较小,导致简单剪切变形时奥氏体的稳定性较高。以奥氏体在不同应变速率和变形方式下的稳定性为理论依据,利用弯曲回弹实验研究了成形工艺参数对中锰钢回弹行为的影响。
结果表明,弯曲变形后中锰钢厚度方向上发生不均匀变形。65mn锰冷轧钢板在增加冲压速度的条件下,弯曲内层区域的变形程度较低,导致发生马氏体相变的奥氏体体积分数减少及几何必要位错密度增加趋势减弱,使得加工硬化能力减弱,从而中锰钢的回弹角降低。在增加弯曲角度的条件下,弯曲内层区域的变形程度增加,使得发生马氏体相变的奥氏体体积分数增加以及几何必要位错密度增加,导致加工硬化增加,从而中锰钢的回弹角增加。当凹模跨距增加时,弯曲内层区域和外层区域的变形均降低,使得发生马氏体相变的奥氏体体积分数及几何必要位错密度呈现减弱趋势。在相同的总变形条件下,凹模跨距的增加,使得弹性变形阶段所占比例增大,因而中锰钢的回弹角增加。通过改变两相区退火工艺和轧制方式研究了奥氏体体积分数和织构对中锰钢弯曲回弹的影响。结果表明,奥氏体体积分数的增加,使得材料的弹性模量增加;制备不同奥氏体体积分数的两相区退火工艺使得中锰钢具有不同的屈服强度和加工硬化。
65mn锰冷轧钢板弹性模量、屈服强度和加工硬化的差异共同导致回弹角的变化。在不同的奥氏体织构条件下,中锰钢的弹性模量随着含<111>的织构组分强度的减弱而降低;同时其加工硬化能力随着含<1-10>和<001>的织构组分强度的增强而增加。弹性模量的降低和加工硬化能力的增加是回弹角增加的主要原因。考虑奥氏体体积分数和织构对弹性模量影响的有限元仿真模型,能够更地预测实验用中锰钢的回弹行为,其预测的回弹角更接近实验测定的回弹角。
