超高强汽车钢相变行为及亚稳组织综合调控与力学响应

An accurate description of martensitic transformation upon quenching and austenite formation during further annealing is required to precisely tune the multi-phase microstructure (in particular the metastable retained austenite) and mechanical properties of the 3rd generation ultra high strength automotive steels, which is regarded as one of the most key issues in the field. This project aims to develop the relevant knowledge for a precise control of microstructure and properties of the Quenching-Partitioning （Q&P） steels, and the following common and key issues will be addressed: (i) instead of the widely used empirical K-M equation, a physical model based on an accurate thermodynamic description will be developed to quantitatively predict the kinetics of martensitic transformation upon quenching; (ii) an integrated thermo-kinetic model will be developed to describe the kinetics of carbide precipitation, martensite/austenite interface migration, elements partitioning and austenite decomposition during the Q&P process, with an emphasis on the interaction between the above mentioned kinetic process, and the mechanism of metastable austenite formation and its stability will be unveiled; (iii) The intrinsic dependence of mechanical response of retained austenite on strain rate and temperature will be explored, and the kinetics of stress/strain induced γ to α’ transformation under different conditions, especially its relationship to the martensitic nucleation sites and transformation path, will also be revealed. This project will provide guidance to microstructure and mechanical property control of the Q&P steels and other 3rd generation AHSSs with metastable retained austenite.

以亚稳奥氏体为特征的复相组织性能调控是第三代超高强汽车钢的核心问题和共性技术，而连续退火过程中奥氏体相变行为的准确描述是制约其组织性能定量精准调控的瓶颈。本项目以Q&P(淬火-配分)钢为研究载体，针对马氏体相变、亚稳奥氏体演化及其加工/服役过程的力学响应三大共性基础问题，拟通过实验研究和理论分析与建模，建立γ→α’转变的亚稳平衡相图，获得连续降温过程马氏体相变的定量描述，摆脱淬火马氏体相变KM计算框架的限制；构建综合考察元素配分与马氏体/奥氏体界面迁移、碳化物析出以及奥氏体等温分解的亚稳奥氏体协同调控机制与模型，实现淬火-配分过程亚稳奥氏体及其稳定性的全流程综合调控；明确与加工/服役过程相关的亚稳奥氏体力学响应与应变率及温度的关联规律，揭示不同条件下应力/应变诱导γ→α’转变动力学及其与形核位点和相变路径选择的关联与机理，进而为基于亚稳奥氏体的第三代汽车高强钢组织性能精准调控提供理论指导。

本研究以Q&P钢为研究载体，针对淬火过程的马氏体相变、退火过程亚稳奥氏体演化的准确描述以及其加工/服役过程的力学响应三大共性基础问题，通过实验和理论分析与建模进行研究，构建出计算精度高的奥氏体定量调控设计模型，实现淬火-配分过程亚稳奥氏体及其稳定性的全流程综合调控，同时明确了与加工/服役过程相关的亚稳奥氏体力学响应与应变率及温度的关联规律。取得的主要进展如下：第一，基于马氏体转变驱动力在Ms处为零，构建了预测板条马氏体Ms的热力学模型。该模型在Fe-C-X三元体系中得到了很好的验证，误差仅有5.6%。随后，在马氏体相变动力学模型方面，利用热力学计算的马氏体相变驱动力优化Magee模型，并将热激活引入到模型中，提出修正的Magee模型。在Fe-C-X三元体系的马氏体相变中，相比于Magee模型32.5%的误差，新模型降低至11.5%。第二，马奥界面迁移行为与淬火/配分温度和合金成分有关，对于淬火温度低或C/Mn含量较高的情况，则会观察到马奥界面不迁移或向马氏体内迁移的现象。构建的CCP-LE 模型能够较好地解释界面迁移行为，同时可以较好地预测配分后的奥氏体碳浓度。随后，针对碳化物的析出构建ICP-LE 模型，发现柯氏气团形成和亚稳碳化物析出对不完全碳配分的影响，与淬火温度和基体碳浓度有关。淬火温度越低，不完全碳配分现象越显著。其次，针对奥氏体的分解提出CCET模型将等温贝氏体相变容纳到模型中，新模型可在准确预测最佳淬火温度的同时预测最佳配分温度。最后，基于亚稳奥氏体综合协同计算指导，结合迁移学习方法，成功建立Q&P钢拉伸性能预测模型，实现了基于大样本高通量硬度数据下小样本拉伸性能的准确预测并成功进行了合金设计。第三，通过原位EBSD和 XRD等手段，深入揭示了应变速率及温度通过影响堆垛层错能控制相变路径来影响马氏体相变的具体机制，为不同应变速率/温度下TRIP行为的调控及力学性能优化提供了指导。本项目研究结果已在Sci. Adv.、Acta Mater.、JMST等国内外高水平期刊发表，为基于亚稳奥氏体的第三代汽车高强钢组织性能精准调控提供理论指导。