轻质钢在高速变形条件下强化及失效机制研究

Lightweight steel combines high strength, high plasticity and low weight, and has great potential for lightweight car. Mechanical behavior, phase transition and carbide of lightweight steel at high strain rate was studied by thermodynamics, dynamics and precision experiment. Carbide-containing lightweight steels were selected in the current work. Carbide-free lightweight steels were employed as a reference. The mechanical behaviors of samples were investigated by universal material test machine and rotation disk bar-bar tensile impact apparatus. The microstructure of the samples before and after tensile test was characterized by OM(optical microscopy), SEM(scanning electron microscope), TEM(transmission electron microscope), XRD(X-ray diffraction), EBSD(Electron Backscattered Diffraction) and APT(atom probe tomography). Through observing hole growth, fracture morphology, carbide shape and retained austenite shape at different strain rates, reveal the failure mechanism of lightweight steel under high-speed deformation conditions. The strengthening mechanism of lightweight steel under high-speed deformation conditions were obtained by observing hole growth, fracture morphology, carbide shape and retained austenite shape at different strain rates. Through the above research, obtains the scientific method to predict the failure mechanism, transformation strengthening mechanism and the law of the mechanical behavior at high strain rate.

轻质钢兼具高强度、高塑性和低重量，在汽车轻量化上拥有巨大潜力。现有研究多集中在轻质钢的静态性能上，本研究侧重于高速变形条件下轻质钢的力学行为和微观组织的演化规律。以含碳化物轻质钢为主要研究对象，以无碳化物轻质钢为参照系，通过光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、X射线衍射仪、电子背散射衍射和原子探针层析对微观组织进行研究，获得显微组织对轻质钢力学行为的影响规律。对轻质钢在不同应变速率下的孔洞生长、断口形貌、碳化物形状、残余奥氏体形态等失效原因进行分析，揭示在高速变形条件下轻质钢失效机制。对轻质钢在不同应变速率下的残余奥氏体稳定性、残余奥氏体转变量、绝热温升、位错密度、碳化物形貌进行研究，获得轻质钢在高速变形条件下的强化机理。通过以上对轻质钢动态条件下热力学、动力学机制的探讨与实验分析的相互印证，获得较为准确的预测高速变形条件下轻质钢失效、相变强化和力学行为规律的科学方法。

轻质钢兼具高强度、高塑性和低重量，在汽车轻量化上拥有巨大潜力。现有研究多集中在轻质钢的静态性能上，本研究侧重于高速变形条件下轻质钢的力学行为和微观组织的演化规律。在这项研究中，详细研究了应变速率、Mn含量和C含量对三种轻质钢的微观结构和机械性能的影响。根据研究结果，可以得出以下结论。(1)在850℃退火5分钟，然后直接在水中淬火，在应变速率为0.001s-1时，3.5Mn轻质钢的极限拉伸强度为820MPa，伸长率为40%，强度与伸长率的乘积（PSE）为32800MPa•%。10Mn轻质钢的极限抗拉强度为750MPa，延伸率为44%，强度与延伸率的乘积（PSE）为33000MPa•%。0.5C轻质钢的极限抗拉强度为886MPa，伸长率为41%，强度和伸长率的乘积（PSE）超过36000MPa•%。这三种轻质钢都具有良好的强度和塑性，并表现出良好的强度和延展性组合。在拉伸变形过程中，3.5Mn钢中的奥氏体转变为α′马氏体。然而，10Mn钢中的奥氏体则转化为孪晶。而在0.5C钢中，奥氏体转化为微带和孪晶。(2) 随着应变速率从0.001增加到1200s-1，3.5Mn钢的抗拉强度从820增加到932MPa，而伸长率最初从40%下降到15%，然后从15%增加到29%。10Mn钢的抗拉强度从750提高到870MPa，而伸长率最初从44%下降到16%，然后从16%上升到29%。0.5C钢的抗拉强度从886提高到1015MPa，而伸长率最初从41下降到16%，然后从16增加到25%。在450s-1的应变速率下，三种轻质钢的伸长率最小，能量吸收能力最差。(3) 随着变形的进行，n值由小到大，应变硬化越来越强。随着应变速率从0.001增加到1200s-1，10Mn轻质钢的均匀变形被抑制。与10Mn轻质钢相比，3.5Mn轻质钢的奥氏体明显不稳定，0.5C轻质钢的奥氏体大部分转变为微带，这两种轻质钢都不能提供渐进式相变。（4）建立钢静态下真应力-真应变表达式，该公式模拟的曲线与实验获得的数据非常吻合，利用该表达式对残余奥氏体发生马氏体相变所需要的功做出量化描述。综上所述，对轻质钢在高速变形条件下的力学行为和微观组织的演化规律进行了研究，认识了轻质钢中各组成相的应变率敏感性，掌握了轻质钢在各种变形速率下的强化及失效机制，促进轻质钢在汽车上的应用。