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双相高强度钢微观组织的特征及力学性能研究

【摘要】:随着多相高强度钢板用量的持续增加和板材厚度的不断变薄,多相微观组织的非均匀性特征及力学性能差异对板材成形性能的影响更加突出,已经成为制约板材成形质量提高的关键问题。因此,开展多相高强度钢微观组织的特征和力学性能研究对于板材成形质量的提高和多相材料复杂力学性能的精确描述具有重大的理论研究意义和工程应用价值。本文以DP600和DP800两种常用的双相高强度钢为主要研究对象,分别对它们微观组织的非均匀分布特征、非均匀变形特征、非均匀硬度分布特征和非均匀强化特征等四个方面进行研究,以揭示双相高强度钢微观组织的非均匀力学性能特征。首先,采用离线金相观测方法,分别对两种材料微观组织中的晶粒尺寸、晶粒形状、晶粒分布及马氏体含量的非均匀分布特征进行研究,旨在提取合理的晶粒非均匀分布特征参数。其次,采用单轴静载拉伸和微观组织原位在线跟踪观测的实验方法,研究微观组织的非均匀变形规律与微观组织非均匀分布特征对微观组织非均匀变形的影响规律。再次,基于纳米压痕技术和微观组织非均匀分布特征参数,研究微观组织硬度的非均匀分布规律和影响机制。最后,通过将微观组织非均匀特征参数纳入到经典单相位错强化模型,以构建单相位错非均匀强化模型和材料混合强化模型;利用构建的材料混合强化模型和单相位错非均匀强化模型对DP600和DP800两种材料的宏观强化性能和单相强化性能进行预测,以揭示微观组织的非均匀强化特征与影响机制。本文的主要研究结果如下:(1)微观组织的非均匀分布特征微观组织的非均匀分布特征主要表现在晶粒尺寸的非均匀分布、晶粒形状系数的非均匀分布、马氏体分布形式的多样性和马氏体含量的非均匀分布等四个方面,两种材料的晶粒尺寸与晶粒形状系数均符合对数正态分布规律,与DP800相比,而DP600的晶粒形状不规则程度和尺寸分布的非均匀程度高于DP800;提出了四个微观组织非均匀分布特征参数,采用等面积圆形晶粒的直径或等周长圆形晶粒的直径来描述晶粒的尺寸,分别采用晶粒形状系数λ(λ≥1)、铁素体的马氏体接触度系数p(0≤p≤1)和马氏体含量分布系数δ来描述晶粒形状、铁素体晶粒周围的马氏体分布和马氏体含量分布的非均匀程度;研究表明晶粒形状的不规则程度与λ正相关,铁素体晶粒边界上的马氏体边界比重与马氏体接触度系数p线性正相关,马氏体含量分布的非均匀程度与δ正相关;不同微观组织非均匀分布特征之间彼此相关,一般情况下,随着马氏体含量的增加,网状与环状马氏体等堆积结构出现的概率增加,铁素体晶粒的马氏体接触度系数增大,而晶粒形状的不规则程度和尺寸分布的非均匀程度则会变小。(2)微观组织的非均匀变形特征微观组织变形的非均匀性主要包括不同位置微观组织变形的非均匀性、单相变形的非均匀性及同相不同晶粒变形的非均匀性等三个方面,微观组织变形的非均匀程度与其距试样断裂位置相关,距断裂位置越近,变形的非均匀程度越高。测试结果表明铁素体的变形主要以非均匀线变形为主,典型特征为晶粒形状的改变,而马氏体的变形则以非均匀角变形(旋转变形)为主,最大特点是晶粒位置的改变,而晶粒形状的改变非常小。微观组织变形的非均匀性与其非均匀分布特征紧密相关,铁素体晶粒变形与其晶粒尺寸d_f和马氏体接触度系数p正相关;铁素体晶粒的变形能力与马氏体的分布方式有关,马氏体的分散分布可以显著增强铁素体晶粒的变形能力,而堆积分布的马氏体则会导致铁素体晶粒变形能力的下降。(3)微观组织的非均匀硬度分布特征微观组织硬度分布分为铁素体硬度分布区和马氏体硬度分布区,铁素体硬度分布具有显著的非均匀性特征,马氏体对铁素体硬度具有重要的影响作用,依据马氏体对铁素体硬度影响作用的大小,铁素体硬度分布区又分为马氏体直接影响区(0l1μm)、马氏体间接影响区(1l2μm)和铁素体母材硬度分布区(l2μm)。以马氏体边界为基准,提出了一个压痕位置参数l对压痕位置进行量化描述,研究表明铁素体硬度H_f与其压痕位置参数l负相关,随着l的增加,铁素体硬度H_f不断减小,并逐渐趋于稳定,这表明随着l的增大,马氏体对铁素体硬度的影响逐渐减小。微观组织硬度分布的非均匀性与其非均匀分布特征参数密切相关,马氏体晶粒尺寸d_m越小,形状系数λ越大,对铁素体硬度分布的影响越显著;与堆积分布的马氏体结构相比,孤立、网状与链状马氏体分布对铁素体硬度的影响更大;马氏体接触度系数p越大,铁素体晶粒的整体硬度水平越高。(4)微观组织的非均匀强化特征通过将微观组织非均匀分布特征参数引入单相经典位错模型、材料宏微观变形场模型和材料混合强化模型,构建了基于特征参数d-λ-p的单相位错非均匀强化模型和材料混合强化模型。利用构建的材料混合强化模型和单相非均匀强化模型,对材料、铁素体与马氏体的非均匀强化性能进行计算,DP600和DP800宏观强化性能的计算结果与试验结果相互吻合。研究发现微观组织的非均匀强化性能主要体现为铁素体强化性能的非均匀性,铁素体和马氏体的强化性能受微观组织非均匀分布特征参数的影响程度不同,与马氏体相比,铁素体的强化性能受微观组织非均匀分布特征参数的影响更为突出,而且马氏体接触度系数p对铁素体硬化性能的影响作用最大;研究结果表明晶粒尺寸和晶粒形状与单相的位错密度、单相应力负相关,而铁素体的马氏体接触度系数则与单相位错密度、单相应力正相关。

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