Fe-Mn-C(-Al)系孪晶诱导塑性（TWIP）钢凝固特性与调控机制研究

Systematical and profound studies on solidification behaviors and characteristics of steels are important theoretical foundations for developing of solidification technologies and process regulating. This project is evoked by the difficulties on solidification regulating and quality controlling founded in the earlier researches for development of twinning induced plasticity (TWIP) steel, caused by the characterization of high manganese and high aluminum composition. To study the solidification characteristics of Fe-Mn-C(-Al) TWIP steel from different sides and levels, various experimental and analysis methods including some developed by our team will be applied comprehensively in the research, combined with analyzing of solidification theory and professional softwares Procast and ThermoCalc. The studies will be focused on: 1) Important solidification characteristics, such as detailed phase diagrams for the composition scope, solidification mode, solidification structure evolution, migration and distribution of solute elements, hot ductility, crack sensitivity, etc.; 2) Interactions of solidification structure and distribution and segregation of solutes, and influences of external factors, such as casting superheat, rate of solidification and cooling, sample morphologies, etc., on the solidification characteristics; 3) Regulation mechanism for solidification structure evolution, distribution of solutes, hot ductility, and crack sensitivity. The final goals of the research are to provide foundations for solidification technology development of TWIP steel applied as automobile lightweight materials, and enrich the researches on solidification theory for high mangansese and aluminum steels, and to promote the progress of energy saving, emission reducing and air pollution disposal.

钢铁凝固行为和特性的深入研究是凝固技术研发和过程调控的重要理论基础。本项目拟在前期孪晶诱导塑性（TWIP）钢研发的基础上，针对其高锰及高铝特色组成引起的凝固成形和质量调控困难，综合采用包含自主研发的多种实验方法和分析技术，结合凝固理论和Procast、ThermoCalc专业软件，对Fe-Mn-C(-Al)系TWIP钢凝固行为和特性进行系统深入分析。主要研究：1）该成分范围的精细相图、凝固模式、凝固组织演变特性、溶质组元迁移和分布特性、高温塑性和裂纹敏感性等重要凝固特性；2）凝固组织、溶质组元迁移与偏析的交互作用，浇铸过热度、冷却速度和铸件尺度等外因对凝固特性的影响机制；3）TWIP钢凝固组织、偏析、高温塑性及裂纹敏感性调控机制。本研究将为汽车轻量化用TWIP钢凝固技术研发提供理论基础，丰富高锰钢及高铝钢凝固理论研究，促进节能减排及大气污染治理进展。

Fe-C-Mn(-Al)系TWIP钢兼具高抗拉强度、高延伸率和高能量吸收能力，是具有较好发展前景的新一代汽车用钢。项目以凝固成型技术研发和凝固过程有效调控为目标，对TWIP钢凝固行为和特性进行了深入研究。. 随着C含量增加，TWIP钢凝固模式发生变化，高温管式炉实验结果与DSC实验结果相同。获取了TWIP钢液相线温度的计算公式，分析了不同体系成分TWIP钢的凝固模式。. 凝固前沿液相中存在着极大的成分过冷，不同拉速下TWIP钢凝固组织都为枝晶结构；冷却速率增加，一次枝晶间距减小，获取了C含量和抽拉速度与一次直径间距关系；C元素含量增加，固液相线温度差增加，凝固区间变长，包晶反应转变导致一次枝晶间距随C元素含量的改变出现反常。. 通过相场模型对定量表征微观偏析的点阵法进行了优化。采用点阵法结合电子探针探究了定向凝固TWIP钢中元素分布及冷却速度与C含量对微观偏析的影响。拉速增加，微观偏析加重；C含量增加，Mn元素偏析增加，C元素的微观偏析随Mn含量增加而增加。. 采用扫描电镜、X射线能谱仪以及热力学计算研究了TWIP钢中析出物特征和Al含量对AlN析出行为的影响。Al质量分数升高至0.75%时，AlN夹杂物开始在钢中析出，形成MnS(Se)-Al2O3-AlN复合夹杂；Al质量分数升高至1.07%时，AlN可以在TWIP钢液相中形成，形成MnS(Se)-AlN复合夹杂物；Al质量分数为1.59%的TWIP钢中，液相中形成的AlN可以作为异质核心，形成包裹型MnS(Se)-AlN复合夹杂物。. TWIP钢中较高的Mn和Al含量明显抑制了动态再结晶，颈缩区发生晶界滑移进而形成沿晶界微裂纹是TWIP钢的主要断裂机制。TWIP钢断口晶界上以及晶界附近出现了大量的MnS-AlN/AlN颗粒，平均尺寸约为564nm，有效地钉扎了TWIP钢奥氏体晶界，推迟了动态再结晶的发生；MnS-AlN/AlN颗粒导致晶界强度弱化，加速裂纹生长，促进了晶界滑移。. 研究初步揭示了Fe-C-Mn(-Al)系TWIP钢的凝固特性及调控机制，为Fe-C-Mn(-Al)系TWIP钢的研发提供了理论依据。