奥氏体不锈钢形变卸载诱发马氏体相变机制及其增塑效应

With the development of the aerospace and automobile industries, it is a application trend that structural lightweight way can be achieved by employing hollow structures with various sections in place of solid structures. In the mean time, the formability of material and the plastic forming technology are required to be a high level. It has been found that the formability was improved remarkably during pulsating forming of austenitic stainless steel in the previous research work. However, there are still some scientific questions about the influence of the loading-unloading processing during pulsating loading on microstructure, phase transformation and mechanical property. In this project, it is planned to conduct systmatic investigation on the microstructural evolutions and its effect on mechanical property with pulsating loading and cyclic loading and unloading methods, especially focus on dislocation evolution, the microscopic mechanism on unloading induced martensitic transformation, the mechanism to improve the formability by pulsating loading and the influence of process parameters on microstructure and the formability, which will provide a theoretical basis on the optimization of process parameters of pulsating loading and the control of microstructure and mechanical property. It is a perspective way for developments of new metal forming processes so that the new technology can be used for austernite stainless steels and TRIP steels.

随着我国航空航天及汽车工业的不断发展，采用高精度变截面空体构件替代原有实心材料从而实现结构轻量化是未来发展的趋势，同时也对材料的成形能力及制备零件的塑性加工技术提出更高的要求。申请人在以往的研究中发现，脉动加载成形方式能够显著提高奥氏体不锈钢的成形能力。然而脉动成形中的加-卸载过程对材料自身组织结构、相变行为及力学性能的作用机制是亟待解决的科学问题。为此，本项目研究奥氏体不锈钢在脉动加载和循环加卸载过程中的微观组织演变规律及对力学性能的影响，重点关注加-卸载过程中的位错演变机制，形变卸载诱发马氏体相变的微观机制，脉动成形提高塑性变形能力的机理，工艺参数对组织结构及成形性能的作用机制。为脉动成形工艺优化及组织性能控制提供理论依据，推动该原理在奥氏体不锈钢和TRIP钢中的广泛应用。

本项目的核心在于揭示新型脉动液压成形技术显著提高奥氏体不锈钢成形能力的微观机理，为此主要针对在脉动成形中的加-卸载过程对材料组织结构、相变行为及力学性能的作用机制开展系统研究，并基于研究成果在汽车和核电领域开展了示范应用，获得了多项发明专利。取得的具体创新性成果如下：1）自主设计并研发了基于X射线衍射的原位加载测试仪，并成功用于奥氏体不锈钢加-卸载过程中组织演变的原位观测，如奥氏体相和马氏体相含量及各相中的位错密度的在线检测。2）评测了多种典型奥氏体不锈钢的室温力学性能；建立了马氏体相转变量与应变量的定量关系，并采用经典OC模型进行了精确拟合；揭示出不同种类奥氏体不锈钢马氏体相变动力学的差异和诱因。3）对比了AISI 304奥氏体不锈钢在不同温度和应变速率下的单调加载和循环加-卸载两种加载方式下的力学性能，得出循环加-卸载方式提高力学性能的最佳变形条件为室温变形速率为10-3s-1，并且发现当卸载量超过50%时AISI 304的力学性能呈现出明显提高；通过XRD的原位加载和TEM的组织观测揭示了加-卸载过程中形变卸载诱发马氏体相变的微观机制。形变卸载过程导致奥氏体母相中的位错密度明显降低，使其得到软化，先形核的马氏体板条更易于生长。当再次加载时奥氏体晶粒容易发生切变，使马氏体形核位置增多。因此，形变卸载过程对马氏体形核和长大两方面均起到促进作用，从而使奥氏体不锈钢的TRIP效应得到增强，成形能力得以提高。4）开展了脉动液压成形关键工艺参数优化的实验研究；建立了加载路径、加载速率、脉动频率和幅值与不锈钢管材成形性能的定量关系；验证了脉动加载增强TRIP效应的实际效果，并开展了对汽车副车架、中冷器以及核电用大型异形环件等精密构件的工艺开发和应用。5）此外，研究表明奥氏体不锈钢形变诱发马氏体相变行为所引起的微观组织变化及其导致的固溶处理初期C元素的偏聚在不同固溶条件下的回复程度不同，从而对后续晶间腐蚀性能产生显著影响。