Fe-15Mn-15Al-5Ni-1C低密度钢的热变形行为研究

作     者：汪英杰 

作者单位：辽宁科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王忠军

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：低密度钢 热变形 本构方程 DRX 热加工图 

摘      要：环境污染和资源紧缺问题日益严峻,汽车领域需要对汽车用钢提出新的要求,降低碳排放和降低能耗是重中之重。Fe-Mn-Al-C钢是汽车轻量化的产物,其凭借低密度、高强度以及优异的抗腐蚀能力等优点,成为了新一代汽车用钢中最受关注的材料,然而,Fe-Mn-Al-C钢在热加工过程中仍然存在变形困难等工艺问题,需要进行更深入的研究。针对以上问题,本论文以Fe-Mn-Al-C低密度钢为研究对象,结合热加工工艺,综合多种材料检测手段,系统地研究了热变形参数(变形温度,应变速率)对Fe-15Mn-15Al-5Ni-1C低密度钢的热变形行为的影响,通过MATLAB软件建立了 Fe-15Mn-15Al-5Ni-1C低密度钢的本构方程,并分析了本构方程参数;采用P-J法确定了动态再结晶(DRX)临界条件,并建立了动态再结晶临界模型和百分数模型;基于动态材料模型,结合耗散理论和失稳判据共同构建了实验钢的热加工图,得出了 Fe-15Mn-15Al-5Ni-1C低密度钢的可加工区间,并分析了各区域的微观组织特征,具体研究结果如下:(1)Fe-15Mn-15Al-5Ni-1C低密度钢铸锭的组织主要由两种呈现树枝晶形状的奥氏体和铁素体相组成。在高温铁素体(δ-F)中,Al、Ni元素的含量较高,但Mn、C两种合金元素的含量比奥氏体中的含量要低。(2)在热压缩变形后,Fe-15Mn-15Al-5Ni-1C低密度钢的显微组织主要是由δ-F、奥氏体(A)、α-铁素体(α-F)和κ-碳化物所组成。当变形温度低于1150℃时,κ-碳化物的析出方式为晶界析出和条幅分解。变形温度达到1150℃时,κ-碳化物的析出方式为条幅分解和共析反应。(3)在较高的应变速率(ε=10 s-1)下变形时,Fe-15Mn-15Al-5Ni-1C低密度钢表现出明显的加工硬化以及随后的快速软化特征,在较低的应变速率(ε10 s-1)下,合金的流动行为以稳态流变为主。由于Fe-15Mn-15Al-5Ni-1C低密度钢中的C和A1的含量较高,促进了κ-碳化物的形成,阻碍了位错的运动;同时,较高的A1含量促进了大量难变形的δ-F的生成,所以热变形激活能较高,其值为 Q=540 kJ·mol-1。(4)Fe-15Mn-15Al-5Ni-1C低密度钢在同一热变形温度条件下变形时,随应变速率的增大,DRX的临界应力值和临界应变值也随之增大;在相同的应变速率条件下变形时,DRX的临界应力值随着热变形温度的升高而降低,δ-F再结晶晶粒尺寸逐渐增大,且晶粒多边形化。δ-F和κ-碳化物的存在使得Fe-15Mn-15Al-5Ni-1C低密度钢铸锭的热加工性能变差,只有在变形温度升高到1125℃或者应变速率下降到0.01 s-1时,δ-F才能发生明显的再结晶软化,实现稳态流变。临界应变量和临界应力的最小值分别为:εcmin=0.004,σcmin=22.30 MPa。动态再结晶临界模型为:εc=7.48 × 10-5Z0.1152。动态再结晶百分数模型为:(5)Fe-15Mn-15Al-5Ni-1C低密度钢存在两个适宜的加工区间,区间一:变形温度范围为:1125-1150℃,应变速率范围为:0.01-0.5 s-1;区间二:变形温度范围为为:925-1080 ℃,应变速率范围为:0.01-0.02 s-1。