【摘 要】
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在大多数的金属材料中,随着强度的增加,延伸率有所降低。高锰钢在塑性变形过程中持续的高加工硬化率使材料拥有良好强塑性匹配的目标得以实现,并在低温领域得到了广泛的应用。因此,高锰钢在工业中的应用前景十分广阔,一直以来得到世界各国材料研究人员的广泛关注。但传统的Fe-Mn二元合金室温下屈服强度较低,只有约200 MPa,在实际应用中难以满足工业需要。本文通过对在Fe-Mn-C三元合金中加入Cr和Ni合金
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目:复合层片异构结构低温钢的强韧化机理研究 （No.51871194）； 河北省自然科学基金—高端钢铁冶金联合研究基金项目: 异构结构低温专用高锰钢的制备及其强塑化 （No.E2018203312）；
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在大多数的金属材料中,随着强度的增加,延伸率有所降低。高锰钢在塑性变形过程中持续的高加工硬化率使材料拥有良好强塑性匹配的目标得以实现,并在低温领域得到了广泛的应用。因此,高锰钢在工业中的应用前景十分广阔,一直以来得到世界各国材料研究人员的广泛关注。但传统的Fe-Mn二元合金室温下屈服强度较低,只有约200 MPa,在实际应用中难以满足工业需要。本文通过对在Fe-Mn-C三元合金中加入Cr和Ni合金元素,提高其强度、防腐性能和低温性能,并采用传统的冷轧及退火处理,对其微观组织进行调控,采用细晶强化、沉淀强化、固溶强化和位错强化等多种强化方式提高其屈服强度。本研究微观组织调控的前提是实现试验钢良好的强塑性匹配。通过组织调控,抑制拉伸变形过程中马氏体的产生,提高屈服强度。层状复合组织进一步提升试验钢的力学性能。本文通过95%冷轧与不同退火工艺相结合,成功制备了具有不同微观组织（晶粒的形貌和尺寸）的Fe-30Mn-0.14C-7Cr-0.26Ni钢样品:（1）完全层片组织,其平均层片间距为0.03～0.05μm;（2）由回复组织与再结晶组织交替构成的层状复合组织,其平均晶粒尺寸为0.65μm;（3）由等轴晶粒构成的完全再结晶组织,平均晶粒尺寸为0.80～14.05μm。对不同晶粒尺寸的样品进行了室温和低温（-180 oC）拉伸测试,对其力学行为和变形机制进行了研究。不同晶粒尺寸Fe-30Mn-0.14C-7Cr-0.26Ni钢样品的拉伸曲线表明:无论是在室温还是低温条件下进行拉伸,不同晶粒尺寸样品的拉伸曲线展现出了不同的流变状态:晶粒尺寸为0.65、0.80和1.07μm样品的拉伸曲线中可以观察到有屈服平台出现,其他晶粒尺寸样品的拉伸曲线中没有观察到屈服平台,曲线为连续流变。晶粒尺寸和变形温度对Fe-30Mn-0.14C-7Cr-0.26Ni钢的变形机制有显著的影响。室温条件下,晶粒细化抑制形变孪晶的形成;低温条件下,晶粒细化不但抑制形变孪晶的形成,同时还抑制马氏体相变。无论是在室温还是在低温条件下,Fe-30Mn-0.14C-7Cr-0.26Ni钢的主要变形方式都为位错滑移和形变孪生。通过对室温条件下Hall-Petch方程的建立,发现细晶组织的Hall-Petch斜率高达1115 MPa·m1/2,远高于粗晶组织的Hall-Petch斜率,说明细化晶粒能显著提高试验钢的屈服强度。对Fe-30Mn-0.14C-7Cr-0.26Ni钢存在的五种强化方式:细晶强化、沉淀强化、固溶强化、位错强化和晶格摩擦进行了分析,计算了五种强化方式对屈服强度的贡献。计算结果表明:细晶强化、沉淀强化和位错强化对屈服强度的贡献较大,而固溶强化和晶格摩擦对屈服强度的贡献相对较小。总之,本研究通过对高锰钢成分和组织结构的调整,在较低成本和简单工艺的基础上,实现了对试验钢力学性能的优化。
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