随着汽车轻量化战略的实施及汽车行业需求的变化,高强度高塑性的先进高强钢被开发及应用。65锰钢板尤其是以中锰钢等钢种为代表的第三代先进高强钢兼顾成本及性能,在低制造成本的前提下,其强塑积能达到30 GPa-%级以上。

 在开发中锰钢等第三代先进高强钢的过程中,亚稳奥氏体及其稳定性被认为是影响钢材优异力学性能的关键因素;在应用中锰钢等钢种的过程中,亚稳奥氏体及其稳定性会影响回弹等成形方面的问题,因此需要深入研究。65mn锰冷轧钢板本文以强塑积为30 GPa-%级的高强塑中锰钢为研究对象,分析了组织中亚稳奥氏体在不同应变速率和不同变形方式下的稳定性;并以此为理论依据,探讨了弯曲变形过程亚稳奥氏体发生的相变行为以及亚稳奥氏体对弯曲回弹的影响, 基于奥氏体特征建立了回弹预测模型,实现了中锰钢回弹行为的高精度预测。本文的主要工作和结论如下:利用高速拉伸实验及数字图像关联技术（Digital image correlation,DIC）研究了不同应变速率下亚稳奥氏体的稳定性。

  结果表明,在应变速率为10-3s-1至5×101s-1范围内,奥氏体稳定性随着应变速率的增加而增加。通过EBSD和TEM观察发现,不同应变速率下,高强塑中锰钢观组织的演变规律基本保持一致,即奥氏体随着应变量的增加逐渐发生畸变,其内部产生层错,部分奥氏体转变成马氏体;铁素体内部几何必要位错密度随着应变量的增加而显著增加,并形成高密度的小角度晶界;奥氏体晶粒内的层错随着应变速率的增加呈现逐渐稀疏的趋势。结合热动力学计算及观组织分析,65mn锰冷轧钢板在应变速率由10-3 s-1增加至5×101s-1时,奥氏体的层错能由9.8 mJ/m2升高至18.7mJ/m2,层错能的升高抑制了奥氏体的转变,增加了奥氏体稳定性;同时应变速率增加导致发生相变的临界能量升高以及相变驱动力降低,也是奥氏体稳定性上升的原因。通过板材成形实验及DIC技术研究了不同变形方式下亚稳奥氏体的稳定性。

结果表明,65锰钢板当变形方式由简单剪切变为单向拉伸再变为平面应变 变为等双拉时,奥氏体的稳定性逐渐下降。通过EBSD观察发现,不同变形方式下,随着应变量的增加,奥氏体逐渐发生畸变,部分奥氏体发生马氏体相变,铁素体内部几何必要位错密度增加。结合织构分析、Schmid因子及外力所做功的计算可知,变形方式由单向拉伸变为平面应变再变为等双拉时,奥氏体Schmid因子增加,同时机械外力所做的功上升,两种因素共同作用导致奥氏体的稳定性下降。而在简单剪切变形时,奥氏体Schmid因子较高,而机械外力所做的功 ,机械外力产生的相变驱动力较小,导致简单剪切变形时奥氏体的稳定性较高。以奥氏体在不同应变速率和变形方式下的稳定性为理论依据,利用弯曲回弹实验研究了成形工艺参数对中锰钢回弹行为的影响。

结果表明,弯曲变形后中锰钢厚度方向上发生不均匀变形。65mn锰冷轧钢板在增加冲压速度的条件下,弯曲内层区域的变形程度较低,导致发生马氏体相变的奥氏体体积分数减少及几何必要位错密度增加趋势减弱,使得加工硬化能力减弱,从而中锰钢的回弹角降低。在增加弯曲角度的条件下,弯曲内层区域的变形程度增加,使得发生马氏体相变的奥氏体体积分数增加以及几何必要位错密度增加,导致加工硬化增加,从而中锰钢的回弹角增加。当凹模跨距增加时,弯曲内层区域和外层区域的变形均降低,使得发生马氏体相变的奥氏体体积分数及几何必要位错密度呈现减弱趋势。在相同的总变形条件下,凹模跨距的增加,使得弹性变形阶段所占比例增大,因而中锰钢的回弹角增加。通过改变两相区退火工艺和轧制方式研究了奥氏体体积分数和织构对中锰钢弯曲回弹的影响。结果表明,奥氏体体积分数的增加,使得材料的弹性模量增加;制备不同奥氏体体积分数的两相区退火工艺使得中锰钢具有不同的屈服强度和加工硬化。

65mn锰冷轧钢板弹性模量、屈服强度和加工硬化的差异共同导致回弹角的变化。在不同的奥氏体织构条件下,中锰钢的弹性模量随着含<111>的织构组分强度的减弱而降低;同时其加工硬化能力随着含<1-10>和<001>的织构组分强度的增强而增加。弹性模量的降低和加工硬化能力的增加是回弹角增加的主要原因。考虑奥氏体体积分数和织构对弹性模量影响的有限元仿真模型,能够更精确地预测实验用中锰钢的回弹行为,其预测的回弹角更接近实验测定的回弹角。 

相应的研究结果分别如下:相图计算及膨胀仪热模拟结果表明,65mn锰冷轧钢板Al元素有效拓宽了临界区温度工艺窗口;DICTRA软件对具有相同平衡态两相比例临界区奥氏体化过程的元素配分模拟显示Al元素的添加显著提升了合金元素（尤其是有利于锰铝等置换元素）的扩散效率,有助于残留奥氏体中碳锰元素的富集与稳定;高铝添加导致δ铁素体存留至室温,降低了含铝中锰TRIP钢抗拉强度的同时消除了PLC现象;原位拉伸SEM中δ铁素体内大量交错的位错滑移带证明了其良好的应变协调性。

   临界区奥氏体化温度通过调控临界区奥氏体比例实现含铝中锰钢的多元强度级别设计。相较含铝中锰TRIP钢而言,以回火马氏体组织为主要基体“骨架”的含铝中锰IQ-TP钢展现出更高的屈服强度;XRD和APT检测到残留奥氏体内的碳锰元素富集、相界面处锰铝元素的偏聚等现象证明了回火配分阶段合金元素的局部平衡（LE）。65锰冷轧钢板IQ--TP工艺下临界区奥氏体化及回火过程两阶段的元素配分促进了残留奥氏体碳锰元素的富集,同时回火马氏体组织切割细化了残留奥氏体晶粒进一步增加了其稳定性,

  65锰钢板因而含铝中锰IQ-TP钢表现出优异的力学性能。以4Mn1Al钢为例,其热轧IQ-TP钢,抗拉强度达1425±43MPa,同时延伸率25.9±3.8%,均明显优于含铝中锰TRIP钢抗拉强度1345MPa,延伸率18.9%的 力学性能。而4Mn2Al热轧IQ-TP钢抗拉强度达1319±39MPa,延伸率27.4±1.1%。膨胀仪组织热模拟及EPMA成分分析证实了含铝中锰TRIP钢冷轧退火组织的异常长大现象受控于锰铝元素偏析下关键温度区间的加热速率。富Al贫Mn区抑制了奥氏体的形核,慢加热速率为形变马氏体的再结晶行为及晶粒长大提供了充分的动力学条件。超细晶冷轧含铝中锰TRIP钢由于其较小的位错运动平均自由程,具有明显的屈服平台。异常长大的铁素体带提供了应变初期较高的加工硬化率,有利于缩短材料的屈服平台延伸率。而含铝中锰IQ-TP钢由于马氏体组织及几何必要位错的存在呈现出连续屈服特征。含铝中锰IQ-TP钢的塑性主要源于软相板条形态铁素体的“润滑剂”效应以及残留奥氏体的持续性TRIP效应。