先进孪晶诱发塑性钢搅拌摩擦加工组织设计与腐蚀、变形行为研究

Great combination of ductility and corrosion resistance can be achieved in the newly developed Fe-Mn-Cr-C-N twin-induced plastic (TWIP) steel. However, this kind of steel has low yield strength. Cold-working can significantly improve the strength of the steel, but would deteriorate the corrosion resistance and ductility. In order to solve the property deficiencies of this steel under cold rolled and solution-treated conditions, this project aims at modifying the structure of Fe-Mn-Cr-C-N steel by friction stir processing (FSP). A sandwich structure is constructed by the combination of the ultrafine-grained processed zone and the based material. This will improve the corrosion resistance of cold rolled Fe-Mn-Cr-C-N and the yield strength of solution-treated sample without sacrificing other properties. The effects of grain size on the passivation behavior are studied by electrochemical tests and element analysis of the passive film. The deformation behavior of the sandwich structure is investigated via in situ and quasi-in situ methods, with the focus mainly on the coordination and twinning behavior of the fine and coarse grains. The purpose of this project is to elucidate the key influencing factors of corrosion resistance and mechanical properties, and to provide guidance for optimizing the properties of steels.

新型Fe-Mn-Cr-C-N孪晶诱发塑性(TWIP)钢兼具良好的塑性和耐蚀性，但存在屈服强度较低的不足；冷加工虽可大幅提高强度，但却显著降低其耐蚀性和延伸率。针对该钢冷轧态和固溶态两种典型应用状态存在的性能短板，本项目拟采用搅拌摩擦加工(FSP)实现Fe-Mn-Cr-C-N钢的组织设计。通过获得表面超细晶组织，与原始母材共同组成粗细晶“三明治”结构，充分利用各组织的特点和优势，在不牺牲其它性能的前提下，提高Fe-Mn-Cr-C-N钢冷轧态的耐蚀性及固溶态的屈服强度。通过电化学测试结合表面钝化膜微观尺度下的元素分析，揭示晶粒尺寸对其钝化行为的作用机制。采用原位和准原位手段，对三明治结构的变形行为进行研究，揭示变形过程中粗、细晶区的协调机制及孪生机理。通过以上机理问题的研究，为钢铁材料的性能优化提供参考。

Fe-Mn-Cr-C-N孪晶诱发塑性（TWIP）钢是一种高强度、高塑性、高耐腐蚀性和耐热性的不锈钢，具有良好的综合性能，因此在航空航天器件、汽车零部件、石油钻井设备、化工设备、电力设备、冶金设备、矿山设备、港口设备、生物医疗、军工装备等领域均有应用。然而高氮TWIP钢的两种典型应用状态都有着各自的瓶颈问题，即固溶态屈服强度低，冷轧态耐蚀性差，限制了它的进一步发展和应用。.本研究采用强制冷却搅拌摩擦加工的方法进行组织结构设计，在样品表面制备超细晶加工区，形成“超细晶-粗晶-超细晶”的三明治复合结构，并明确了加工参数对加工区晶粒尺寸的影响。通过对这种三明治复合结构进行强度、硬度、耐蚀性分析和测试，发现样品具有优秀的综合性能。其表面超细晶加工层最高硬度可达570 Hv，强度超过1.7GPa，同时仍保持有5.3%的延伸率。超细晶加工层优异的性能使复合结构的屈服强度从母材的543 MPa升至1298 MPa，提高约2.4倍，同时延伸率可达12%。通过分析发现，复合结构在拉伸过程中应变在粗细晶之间传递，避免了局部变形，有效抑制了微裂纹的生成，提高材料的延伸率。.对冷轧表面进行超细晶改性，研究结果表明，三明治复合结构可在有效保持母材超高强度的前提下，有效提高样品的延伸率（由10.4%提高至16.5%）。同时样品的耐蚀性显著提高，经过24 h点蚀浸泡腐蚀实验后，母材表面已经出现大量100微米以上的点蚀坑，而复合结构样品表面无任何明显腐蚀现象。通过恒电位极化实验以及循环极化测试发现，复合结构表面钝化膜稳定性和再钝化能力明显提高，主要机制为低缺陷密度超细晶结构所带来的钝化膜有益元素富集。.综上，本项目利用组织结构设计，成功获得了性能优秀的三明治复合结构样品，平衡了高氮TWIP钢强度、塑性、耐蚀性之间的矛盾，阐明了复合结构力学性能和耐蚀性能改善的机理问题。研究结果可为高性能钢铁材料的组织优化和生产过程参数控制提供指导。