高应变率下高锰钢相变诱发塑性的晶体学研究

At high strain rates, the deformation of metals becomes more inhomogeneous and the typical way of damage is the formation of adiabatic shear bands with highly localized preferred orientation. Continuous dynamic recrystallization or martensitic transformation due to rash cooling after adiabatic heating are the general ways of underlying microstructural evolution followed by crack formation. Advanced high manganese TRIP steels demonstrate super high strength and elongation combination and a better work hardening rate than that of TWIP steels, thus are suitable for the application as structural parts in automobile industry preventing high rate shocking damage. This research proposal plans to investigate the behavior of transformation induced plasticity during the formation of adiabatic shear bands at high strain rates by means of crystallographic analysis and the possibility of multi enhancements in plasticity. In concrete, this project will investigate the TRIP behavior during homogeneous deformation, the transition from TRIP-related structure to the formation of adiabatic shear bands and the microstructure evolution within shear bands and fracture formation. In addition, the influences from composition, initial microstructure and deformation styles on TRIP and ASB formation are also analyzed. The purposes of this study are to reveal the mechanism of ASB formation related with transformation induced plasticity at high strain rates on the one hand, and to provide optimized parameters and controlling techniques for the application of high manganese TRIP steels in automobile industry as structural parts on the other hand.

高应变率下金属的形变逐渐不均匀，破坏的典型形式是形成绝热剪切带ASB，剪切带的形成伴随局部区域出现高度取向择优，通过连续式动态再结晶方式或因绝热升温再激冷发生相变形成白亮带，并继而诱发裂纹。新型高锰TRIP钢具有优异的强塑积值，优于TWIP钢的高应变量下的加工硬化能力，适合于汽车高速抗冲击结构件的应用。本申请计划从晶体学的角度、研究高速变形条件下相变诱发塑性（TRIP）过程在绝热剪切带形成中的作用及可能出现的多次增韧性。具体讲就是研究：高速下均匀变形时的TRIP行为，由TRIP组织过渡到ASB、再从ASB内组织演变直至断裂的演变规律；同时考察合金成分、初始组织、形变方式对TRIP机制下的ASB形成的影响；在理论上揭示高应变率下相变诱发塑性在绝热剪切带形成中的机理，在应用上优化出工艺参数及成分，为新型高锰TRIP钢在汽车上的应用及控制技术提供依据。

本项目从四个方面对高锰钢高速变形下相变诱发塑性（即TRIP行为）进行了以晶体学为主的研究；一是合金成分、初始组织的影响；二是高速形变下均匀形变区的TRIP行为；三是高速形变时非均匀形变的绝热剪切带（即ASB）形成规律；四是高速形变的力学行为。并与单相低强度高塑性的IF钢和纯铜，复相高强度低塑性的装甲钢和钛合金进行了比较。研究目标是在理论上揭示高速下TRIP与ASB的晶体学特点和交互作用机理，认识10000/s高速率下TRIP过程的取向依赖性，变体选择规律及织构特点；在应用上为开发和应用新型抗高速冲击材料奠定理论基础。.结果表明，高锰TRIP钢有很宽的初始组织调控余地，通过热变形、预变形、成分改变可有效调整初始组织。纯奥氏体初始组织有非常高的抗冲击断裂能力，而初始组织中体心马氏体的增多可提高冲击强度，接近高强材料，但ASB提前形成。C含量的提高稳定奥氏体，抑制TRIP效应。高速下均匀形变过程中，仍存在TRIP行为的取向依赖性，即<111>取向奥氏体晶粒拉伸时易相变，<100>晶粒则不易相变。压缩与拉伸时TRIP的取向依赖性不同。高速冲击变形下TRIP过程不再是主要由取向因子控制，而显示强的晶界交互作用。在非均匀变形的ASB区域，TRIP可发生在ASB形成之前，ASB形成位置主要受应力场控制，而受相分布控制较弱。ASB中的体心马氏体主要是被剪切卷入的，ASB内以超细等轴奥氏体晶粒为主，这是剪切带内的绝热温升、马氏体逆相变的结果。在ASB以外的过渡区也检测马氏体向奥氏体逆相变的特征。TRIP过程可推迟ASB的产生，ASB的形成又抑制TRIP过程。ASB形成时高锰钢的加工硬化能力和持续时间既优于装甲钢和高强TC18钛合金，又优于高塑性的IF钢和纯铜。高锰TRIP钢ASB内裂纹的特殊性在于其可沿带外的体心马氏体相外延。以奥氏体为主的ASB防止了带内形成或扩展的裂纹的快速发展，而带外的体心马氏体虽诱发ASB内裂纹离开ASB，但延长裂纹扩展路径而未造成样品失效。高速冲击下的应力-应变曲线只能反映裂纹扩展过程，而无法显示ASB形成过程。