【摘要】：隨著汽車輕量化的不斷發(fā)展,先進(jìn)高強(qiáng)鋼越來(lái)越受到汽車行業(yè)的重視。TWIP(twining induced plasticity)鋼具有卓越的綜合性能,是車身結(jié)構(gòu)部件的首選材料之一。眾所周知,汽車結(jié)構(gòu)件在成形過(guò)程中的變形速率為10-1～101 s-1,而汽車在實(shí)際行駛過(guò)程中發(fā)生碰撞時(shí)的變形速率則高達(dá)102～103s-1。因此,研究TWIP鋼不同應(yīng)變速率下的力學(xué)行為和微觀組織演變規(guī)律,探索TWIP鋼汽車結(jié)構(gòu)件的壓潰吸能行為,是評(píng)估其碰撞安全性的重要依據(jù)。本論文以屈服強(qiáng)度為600 MPa級(jí)的TWIP鋼為主要研究對(duì)象,并同時(shí)在部分研究中與屈服強(qiáng)度相近的雙相鋼作對(duì)比分析。采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和高速拉伸試驗(yàn)機(jī)獲得了實(shí)驗(yàn)鋼在應(yīng)變速率10-4～103s 1范圍內(nèi)的力學(xué)性能;采用掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)表征了拉伸變形前后的微觀組織形貌,并利用X射線衍射(XRD)技術(shù)檢測(cè)了斷裂前后微觀相組成的變化;利用電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和落錘試驗(yàn)機(jī)研究了實(shí)驗(yàn)鋼點(diǎn)焊帽型薄壁梁構(gòu)件的壓潰吸能特性�？偨Y(jié)如下:(1)通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼在不同變形速率下力學(xué)行為的分析發(fā)現(xiàn):在10-4～103 s-1范圍內(nèi),TWIP鋼的屈服強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的提高均單調(diào)增加,而抗拉強(qiáng)度先增加后減小。其中,抗拉強(qiáng)度在10-4～102 s-1呈現(xiàn)正的應(yīng)變速率敏感性(PSRS),并在應(yīng)變速率達(dá)到102s-1時(shí)達(dá)到最大值(1168 MPa);而后隨著應(yīng)變速率的增加而減小,呈現(xiàn)負(fù)的應(yīng)變速率敏感性(NSRS);而雙相鋼的屈服和抗拉強(qiáng)度均隨著應(yīng)變速率的增加單調(diào)增加。TWIP鋼在10-2～102s-1范圍內(nèi)具有較大的應(yīng)變速率敏感性指數(shù)(m)和較小的激活體積(v*)。TWIP鋼的均勻塑性變形階段的加工硬化速率,在應(yīng)變速率10-4～10-2s-1內(nèi),幾乎不隨應(yīng)變的增加而變化;在10-1～103s-1內(nèi),隨應(yīng)變的增加而增加。兩種實(shí)驗(yàn)鋼基于Considere失穩(wěn)準(zhǔn)則的失穩(wěn)應(yīng)變隨應(yīng)變速率的變化規(guī)律與其均勻塑性變形性能一致。動(dòng)態(tài)加載(10-1～103s 1)下的局部變形導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)鋼的絕熱溫升效應(yīng),從而降低了應(yīng)變率的強(qiáng)化作用,同時(shí)使TWIP鋼的層錯(cuò)能(SFE)增加約5～9 mJ/m2。當(dāng)應(yīng)變速率達(dá)到102s-1以上時(shí),TWIP鋼和雙相鋼的斷裂能量吸收強(qiáng)度(ΔEfracture)分別達(dá)到50 CGPa%以上和20 GPa%以上,可見TWIP鋼用作汽車結(jié)構(gòu)件時(shí)具有史好的碰撞吸能特性。(2)不同應(yīng)變速率下實(shí)驗(yàn)鋼塑性變形機(jī)制的研究表明:兩種實(shí)驗(yàn)鋼均為延性斷裂機(jī)制,低應(yīng)變速率下,拉伸斷口表面韌窩尺寸差異大;隨應(yīng)變速率的增加,韌窩尺寸差異減小;TWIP鋼在102s-1時(shí)形成了大而深的韌窩,雙相鋼在103 S-1時(shí)形成了不均勻且被拉長(zhǎng)的韌窩。不同應(yīng)變速率下,TWIP鋼均發(fā)生了不同程度的孿晶誘導(dǎo)塑性效應(yīng),但均未發(fā)生ε-馬氏體相變。應(yīng)變速率對(duì)TWIP鋼變形過(guò)程中產(chǎn)生的孿晶形貌有著顯著的影響,準(zhǔn)靜態(tài)(10-3 s-1)-時(shí)形變孿晶數(shù)量較少,孿晶片層較厚;隨著應(yīng)變速率的增加(1000s-1),孿晶片層變得均勻,在102s-1時(shí)觀察到與初始形變孿晶相交的二次形變孿晶;隨著應(yīng)變速率進(jìn)一步增加(5×102s-1和103S-1),由于絕熱溫升使得SFE增加,對(duì)孿生產(chǎn)生了一定程度的抑制,降低了形變孿晶數(shù)量。在100s-1時(shí),孿晶增長(zhǎng)符合DoseResp模型的S曲線變化規(guī)律,而在102s-1時(shí),孿晶呈線性增加;同一應(yīng)變速率下孿晶在變形過(guò)程中逐漸形成。雙相鋼隨應(yīng)變速率的增加,近鄰M/F界面鐵素體內(nèi)的位錯(cuò)密度增加,馬氏體板條被拉長(zhǎng);在l03s-1時(shí),馬氏體板條出現(xiàn)一定程度的碎化。(3)基于對(duì)不同應(yīng)變速率下TWIP鋼力學(xué)行為及變形機(jī)制的研究,對(duì)Johnson-Cook模型應(yīng)變速率敏感性因子進(jìn)行了修正,建立了能夠表征TWIP鋼動(dòng)態(tài)變形行為的修正Johnson-Cook模型,并將其應(yīng)用到ABAQUS工程軟件,所得到的拉伸載荷變形曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。(4)對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼薄壁梁構(gòu)件準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓縮特性及吸能規(guī)律進(jìn)行了探討。準(zhǔn)靜態(tài)下,雙相鋼構(gòu)件較早的發(fā)生了開裂,承受載荷的能力小;而TWIP鋼構(gòu)件具有較大的可壓縮位移,能量吸收能力較強(qiáng)。動(dòng)態(tài)加載下,兩種實(shí)驗(yàn)鋼構(gòu)件均未發(fā)生開裂;與雙相鋼構(gòu)件相比,TWIP鋼構(gòu)件通過(guò)較短的壓潰位移便能吸收同等的碰撞動(dòng)能,具有更高的能量吸收能力。準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓縮過(guò)程中,兩種實(shí)驗(yàn)鋼構(gòu)件均發(fā)生的是軸向順序變形,通過(guò)褶皺的形成吸收能量。隨著壓潰速度的增加,TWIP鋼構(gòu)件第一峰值載荷增加,變形初期的平均載荷增加,后期平均載荷趨于相當(dāng)水平;在較高的壓潰速度下,與準(zhǔn)靜態(tài)具有相當(dāng)?shù)膲嚎s位移時(shí)仍未見TWIP鋼構(gòu)件有裂紋形成,表明其構(gòu)件可吸收更多的碰撞動(dòng)能。
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG142.1
【圖文】：

應(yīng)變硬化性、高的能量吸收能力、優(yōu)良的低溫性能和良好的成形性能，其強(qiáng)逡逑塑積大于５０邋ＧＰａ％，是普通ＤＰ鋼、ＴＲＩＰ鋼的兩倍以上，是一種理想的抗沖逡逑擊結(jié)構(gòu)材料和吸能材料（圖２－１是ＴＷＩＰ鋼與其他汽車用鋼構(gòu)件對(duì)撞擊動(dòng)能吸逡逑收能力的對(duì)比），可應(yīng)用于汽車、軍工、電力、航空、石油開采等領(lǐng)域。逡逑ｎｒ＾ｌ逡逑Ｉ邐＿逡逑ｒ．邋，ｓ，Ａ邋ｍ邋ｍ邋ｍ逡逑圖２－１各種汽車用鋼構(gòu)件對(duì)撞擊動(dòng)能吸收能力的對(duì)比逡逑按照ＵＬＳＡＢ（ｕｌｔｒａ邋ｌｉｇｈｔ邋ｓｔｅｅｌ邋ａｕｔｏ邋ｂｏｄｙ）所米用的定義，將屈服強(qiáng)度小于逡逑２１０邋ＭＰａ的鋼稱為軟鋼，將屈服強(qiáng)度在２１０？５５０邋ＭＰａ間的鋼稱為高強(qiáng)度鋼，逡逑將屈服強(qiáng)度大于５５０邋ＭＰａ的鋼稱為超高強(qiáng)鋼１１４１。圖２－２是各種強(qiáng)度級(jí)別的逡逑汽車用鋼的屈服強(qiáng)度和延伸率的關(guān)系圖［｜５］。ＴＷＩＰ鋼表現(xiàn)出了卓越的綜合性逡逑能，可大幅度提高汽車碰撞過(guò)程中的安全性，為解決強(qiáng)度和塑性這一矛盾體逡逑－３邋－逡逑

化機(jī)理等系列科學(xué)問(wèn)題，系統(tǒng)研究了邋ＴＷＩＰ鋼的成分體系、制備工藝和應(yīng)用逡逑技術(shù)。逡逑表２－１和圖２－３是國(guó)內(nèi)外公開發(fā)表文獻(xiàn)中部分?jǐn)?shù)據(jù)的匯總，研究表明層逡逑錯(cuò)能為２０？５０邋ｍＪ／ｍ２的奧氏體高錳鋼可以獲得ＴＷＩＰ效應(yīng)。目前開發(fā)了多種逡逑成分體系，有研究者將其分為三代［１６］，第一代ＴＷＩＰ鋼是ＧｒＳｓｓｅｌ等研究的逡逑Ｆｅ－２５Ｍｎ－３Ｓｉ－３Ａｌ，具有很高的塑性和中等的抗拉強(qiáng)度，但Ａｌ、Ｓｉ含量高，不逡逑利于澆鑄和鍍層；為此開發(fā)了邋Ｆｅ－Ｍｎ－Ｃ第二代ＴＷＩＰ鋼，碳含量提高，強(qiáng)度逡逑明顯增加，延伸率有所降低，但遇到延遲開裂問(wèn)題；第三代ＴＷＩＰ鋼是在逡逑Ｆｅ－Ｍｎ－Ｃ基礎(chǔ)上加入Ａｌ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｐ、Ｐｄ和ＲＥ等進(jìn)行合金化逡逑或微合金化，加Ａ１和ＲＥ可以抑制ＴＷＩＰ鋼的延遲開裂，第三代ＴＷＩＰ鋼是逡逑重要的發(fā)展方向。ＴＷＩＰ鋼含有大量的Ｍｎ元素，在室溫下獲得單相奧氏體，逡逑沒有固態(tài)相變，因此未經(jīng)過(guò)固態(tài)轉(zhuǎn)變和再結(jié)晶的ＴＷＩＰ鋼晶粒粗大，加入Ｎｂ、逡逑Ｖ、Ｔｉ微合金化

邐１２００逡逑Ｙｉｅｌｄ邋Ｓｔｒｅｎｇｔｈ，邋ＭＰａ逡逑圖２－２汽車用鋼的屈服強(qiáng)度與延伸率的關(guān)系逡逑ＩＦ－無(wú)間隙原子鋼；Ｍｉｌｄ－低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼；ＨＳＳ邋ＩＦ－高強(qiáng)度ＩＦ鋼；ＩＳ－各向同性鋼；ＢＨ－烘逡逑烤硬化鋼；ＣＭｎ－碳錳鋼；ＨＳＬＡ－高強(qiáng)度低合金鋼；ＤＰ－雙相鋼；ＣＰ－復(fù)相鋼；ＴＲＩＰ－相逡逑變誘發(fā)塑性鋼；ＭＡＲＴ－馬氏體鋼；ＴＷＩＰ－孿晶誘發(fā)塑性鋼；Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ－不銹鋼；Ｍｉｄ邋Ｍｎ－逡逑中錳鋼逡逑２．１．１邋ＴＷＩＰ鋼的研究現(xiàn)狀逡逑國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量的有關(guān)ＴＷＩＰ鋼理論和技術(shù)的研宄，探索了邋ＴＷＩＰ逡逑鋼的層錯(cuò)能控制、孿生變形機(jī)制、孿晶增塑增強(qiáng)機(jī)理、應(yīng)變硬化機(jī)理、強(qiáng)梞逡逑化機(jī)理等系列科學(xué)問(wèn)題，系統(tǒng)研究了邋ＴＷＩＰ鋼的成分體系、制備工藝和應(yīng)用逡逑技術(shù)。逡逑表２－１和圖２－３是國(guó)內(nèi)外公開發(fā)表文獻(xiàn)中部分?jǐn)?shù)據(jù)的匯總，研究表明層逡逑錯(cuò)能為２０？５０邋ｍＪ／ｍ２的奧氏體高錳鋼可以獲得ＴＷＩＰ效應(yīng)。目前開發(fā)了多種逡逑成分體系，有研究者將其分為三代［１６］，第一代ＴＷＩＰ鋼是ＧｒＳｓｓｅｌ等研究的逡逑Ｆｅ－２５Ｍｎ－３Ｓｉ－３Ａｌ，具有很高的塑性和中等的抗拉強(qiáng)度，但Ａｌ、Ｓｉ含量高，不逡逑利于澆鑄和鍍層；為此開發(fā)了邋Ｆｅ－Ｍｎ－Ｃ第二代ＴＷＩＰ鋼，碳含量提高，強(qiáng)度逡逑明顯增加，延伸率有所降低，但遇到延遲開裂問(wèn)題；第三代ＴＷＩＰ鋼是在逡逑Ｆｅ－Ｍｎ－Ｃ基礎(chǔ)上加入Ａｌ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｐ、Ｐｄ和ＲＥ等進(jìn)行合金化逡逑或微合金化

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2803490