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fe-mn-al-c系低密度钢的热力学计算和组织性能研究

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Fe-Mn-Al-C系低密度钢的热力学计算和组织性能研究

作者：杨浩安徽工业大学

学位级别：硕士

近年来,汽车行业发展迅速,汽车材料的使用面临环境保护、资源节约等挑战,所以汽车轻量化材料的研究已成为热点。开发和研究密度低且强塑性优异的fe-mn-al-c系低密度钢为汽车轻量化提供了一种新的选择。本文初步建立fe-mn-al-c系低密度... 详细信息

近年来,汽车行业发展迅速,汽车材料的使用面临环境保护、资源节约等挑战,所以汽车轻量化材料的研究已成为热点。开发和研究密度低且强塑性优异的fe-mn-al-c系低密度钢为汽车轻量化提供了一种新的选择。本文初步建立fe-mn-al-c系低密度钢的成分设计、热力学计算、变形机制三者之间的基本关系模型,通过对系列钢种进行热力学计算,预测其组织演变规律和变形机制。本文获得主要结果如下:本文针对一系列高铝含量的fe-mn-al-c系低密度钢进行了相平衡、层错能等热力学计算。其中,利用Thermo-calc软件计算了不同成分范围的低密度钢的相图,探究了该类型钢种的相类型和析出规律等,并分析了成分变化对相图的影响。研究表明,钢中铝含量和锰含量的变化会直接影响各相区的大小及析出物的析出温度和含量。另在Olson-cohen热力学模型的基础上编写了层错能计算程序,得到多组不同成分的fe-mn-al-c钢的层错能结果,建立了层错能与变形机制两者之间的基本关系。研究表明,层错能Sfe数值随着钢中各元素含量增大而升高,其中铝元素对钢的层错能最为敏感、影响较大。本文借助SEM、XRD、TEM等表征手段对fe-28mn-12al-1c和fe-20mn-10al-1c两种低密度钢的热轧态、固溶态和冷轧态微观组织变化规律进行了研究,特别研究了不同温度退火处理后钢的组织和性能之间的关系。结果表明,12al钢和10al钢的室温组织均是两相共存(铁素体α+奥氏体γ),密度分别为6.5025g/cm3和6.767g/cm3。实验钢在不同退火温度下,其组织与性能呈现较大差异。12al钢在900℃退火时,其组织为三相共存,除α+γ外还有κ-碳化物存在,并对力学性能产生影响,使得强度升高、塑性下降。随着退火温度的增加,两钢种的强度下降而塑性升高,其退火态强塑积可达30-50GPa%,满足第三代AHSS的力学性能要求。通过分析两种钢的变形行为,明确了其变形行为与钢中出现的滑移带密切相关,且表明位错的平面滑移是该类型实验钢的主要变形机制。另外,滑移带的细化也影响该钢的变形行为,进而影响该钢的力学性能。

关键词： fe-mn-al-c系低密度钢层错能热力学计算微观组织变形机制

固溶处理对fe-mn-al-c系低密度钢组织与性能的影响

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金属热处理 2015年第9期40卷 120-124页

作者：刘少尊厉勇王春旭黄顺喆韩顺刘宪民钢铁研究总院特殊钢研究所北京100081

采用OM、SEM、TEM、XRD等试验方法,对不同固溶温度下fe-27mn-8al-1.6c低密度钢的力学性能和组织演变规律进行了研究。结果表明,fe-27mn-8al-1.6c钢的密度为6.8 g/cm3。固溶处理对该钢的组织与性能影响较大,高温固溶后试验钢奥氏体晶界... 详细信息

采用OM、SEM、TEM、XRD等试验方法,对不同固溶温度下fe-27mn-8al-1.6c低密度钢的力学性能和组织演变规律进行了研究。结果表明,fe-27mn-8al-1.6c钢的密度为6.8 g/cm3。固溶处理对该钢的组织与性能影响较大,高温固溶后试验钢奥氏体晶界间有少量к-碳化物,随着固溶温度的升高,晶界间未溶к-碳化物含量减少直至消失,奥氏体中c含量逐渐增加;在1000℃固溶处理后,试验钢具有最佳的强塑性配合,抗拉强度为1266 MPa,断后伸长率为34%,强塑积可达43.1 GPa·%;在冷却过程中,试验钢基体发生调幅分解,大量细小的к-碳化物弥散分布在奥氏体内。

关键词： fe-mn-al-c系低密度钢 к-碳化物固溶温度调幅分解

氮化处理对fe-mn-al-c系低密度钢表面组织和性能的影响

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氮化处理对Fe-Mn-Al-C系低密度钢表面组织和性能的影响

作者：郑双昱昆明理工大学

学位级别：硕士

随着社会的快速发展,能源与环境问题日益严峻,汽车行业也将实施轻量化作为减少温室气体排放的策略。fe-mn-al-c系低密度钢作为潜在先进高强钢的一类,表现出高强度、韧性、疲劳性能的良好结合,很有希望应用于合金的结构用途领域,被视为... 详细信息

随着社会的快速发展,能源与环境问题日益严峻,汽车行业也将实施轻量化作为减少温室气体排放的策略。fe-mn-al-c系低密度钢作为潜在先进高强钢的一类,表现出高强度、韧性、疲劳性能的良好结合,很有希望应用于合金的结构用途领域,被视为汽车轻量化材料的未来发展方向。fe-mn-al-c系低密度钢通过成分设计与工艺调控,可以产生多种微观结构并获得较好的性能,但目前由于缺乏应用性能方面的相关知识,加上该钢种杨氏模量的降低以及高al和高mn含量带来的加工问题,导致其在汽车行业中的应用尚未普及。与传统的高强钢相比,该合金的腐蚀性能并未得到改善,在摩擦行为相关方面的研究也很少,在不同条件下的耐磨性能仍然是未知的。为了解决上述问题,本文试图通过实施一步气体与离子氮化处理工艺同时提高fe-mn-al-c系低密度钢的表面耐蚀性与耐磨性,以9al、10al、12al三种成分、多种相结构的合金为研究对象,系统研究了气体与离子氮化处理对该合金的表面组织、机械性能、在3.5%Nacl溶液中的腐蚀行为、400℃下的摩擦磨损行为等方面的影响。期望通过该方法扩展fe-mn-al-c系低密度钢的加工工艺范围,并为该合金的综合性能优化提供一定的参考价值。本文的主要研究内容和结论如下:(1)9al、10al、12al三种钢的密度分别为6.82 g/cm、6.77 g/cm、6.55g/cm,锻造后的9al钢为γ单相结构,10al、12al钢为以γ相为主的γ+α双相结构,随着al元素含量增加,α相的体积分数增加,在氮化温度时基体组织稳定。经过72 h的气体氮化,氮化层厚度分别在120、100与83μm左右,经过45 h的离子氮化,氮化层厚度分别在154、140和113μm左右,氮化层的厚度并不均匀,随着al元素含量增加,氮化层厚度越来越薄,al元素的富集区域越来越多,氮化层与基体的结合情况良好,氮化层内N元素分布均匀,主要成分都为al N+feN+γ相,其中γ相的含量最少。氮化层相对于基体的显微硬度提高了3倍以上,杨氏模量提高了35%以上,如9al钢气体氮化后显微硬度由4.5～6.1 GPa升高到13.7～16.3 GPa,杨氏模量由154～196 GPa升高到205～242GPa,离子氮化层的平均显微硬度和平均杨氏模量均要高于气体氮化层,原因是离子氮化层的N含量更高,最高可达33.3wt%,气体氮化层N含量最高可达29.3wt%。(2)气体与离子氮化处理前后9al、10al、12al三种钢在3.5%Nacl溶液中的腐蚀行为显示,腐蚀机制均为点蚀,锻造处理后三种钢的钝化区域较小,随着al元素含量增加,腐蚀反应越来越剧烈,点蚀区域增加以致连结成面。气体与离子氮化处理后三种钢都可以观察到明显的钝化区,腐蚀电流密度(I)减小,腐蚀电压(E)正向移动,气体与离子氮化后氮化层的腐蚀区域明显减少,耐蚀性能得到较大提升,随着al元素含量增加,气体氮化层的腐蚀反应程度减小,12al钢氮化层表面仅出现裂纹,未见明显的剥落现象,动电位极化过程中大量的O元素会与合金元素发生反应生成对应的氧化物。(3)分析了气体氮化处理前后9al、10al、12al三种钢与淬火+低温回火的30cr mn Mo Ti A军标钢在400℃、大气环境下的摩擦磨损行为,发现气体氮化处理后三种钢的摩擦系数稳定在0.58上下,未氮化的三种钢磨合阶段的摩擦系数分别稳定在0.77、0.89、0.81左右。气体氮化后9al钢磨损量(4.54×10μm)分别比氮化前9al钢(22.02×10μm)和军标钢(12.85×10μm)下降了79.4%和64.7%,气体氮化前9al钢和30cr mn Mo Ti A军标钢的磨损机制均磨料磨损,气体氮化后9al钢磨损机制为黏着磨损伴随少量磨料磨损。未氮化处理的9al、10al、12al三种钢耐磨性小于军标钢,经过气体氮化处理后,9al、10al、12al三种钢的耐磨性要优于军标钢。

关键词： fe-mn-al-c系低密度钢气体氮化离子氮化表面性能耐蚀性能高温摩擦磨损性能

fe-27mn-11al-0.9c低密度钢高温开裂机理研究

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Fe-27Mn-11Al-0.9C低密度钢高温开裂机理研究

作者：庞有超太原科技大学

学位级别：硕士

近年来,随着我国汽车工业领域的快速发展,能源损耗、资源短缺和空气污染日益严重,节能减排已经成为一个不可忽视的重要话题,而汽车轻量化是非常重要的节能减排举措之一。fe-mn-al-c系低密度钢作为第三代高强度钢,具有优良的力学性能,已... 详细信息

近年来,随着我国汽车工业领域的快速发展,能源损耗、资源短缺和空气污染日益严重,节能减排已经成为一个不可忽视的重要话题,而汽车轻量化是非常重要的节能减排举措之一。fe-mn-al-c系低密度钢作为第三代高强度钢,具有优良的力学性能,已成为汽车轻量化的最具前景的材料之一。fe-mn-al-c系低密度钢不仅用于一些重要的安全部件的生产,甚至可以应用到整车车身上,大大地提高了汽车整体的安全性,同时有效地降低了车身重量。其中,fe-mn-al-c系奥氏体基低密度双相钢由于其独特的双相组织和变形机理,受到了国内外研究人员的广泛关注。然而,在fe-mn-al-c系奥氏体基低密度钢实际生产过程中存在热轧边缘开裂等现象,严重阻碍了相关产品的发展,同时其变形机理较为复杂,尤其是在高温下变形机理尚不明确。针对以上问题,本论文以fe-27mn-11al-0.9c奥氏体基低密度钢为研究对象,通过进行不同温度、应变量和应变速率下的等温拉伸实验,利用多种性能测试和微观形貌表征手段,对其变形行为、微观组织演化和断裂行为进行综合分析,揭示了实验钢的变形机制和开裂机理,为后续工艺优化提供一定的借鉴作用。本论文主要研究内容和相关结论如下:(1)通过进行等温热拉伸实验来研究fe-mn-al-c奥氏体基低密度钢在不同变形温度(700、800、900、1000、1100、1200℃)下的热变形行为,分析不同变形温度对低密度钢微观组织和力学性能的影响,并探究其断裂方式。结果表明:流变应力随着温度的升高而逐渐降低,700℃等温拉伸塑性最差,800℃时塑性居中,900-1200℃时塑性都比较好。700℃等温拉伸时,晶界有脆性的κ-碳化物析出,为典型的沿晶断裂。而800℃等温拉伸时,晶界仍然有脆性的κ-碳化物析出,但奥氏体能够发生塑性变形,为沿晶延性断裂。900-1200℃等温拉伸过程中,没有第二相析出,为韧性断裂。(2)通过进行等温热拉伸实验来研究fe-mn-al-c奥氏体基低密度钢在不同应变量下的热变形行为,探究不同应变量对于微观组织的影响,研究了实验钢在热变形过程中的变形机制和断裂行为。结果表明:对于双相fe-mn-al-c系低密度钢而言,奥氏体和铁素体双相组织由于变形机制的不同导致发生塑性变形有所差异,在变形初期铁素体组织承担主要变形,在变形后期奥氏体承担主要变形。当拉伸温度为800℃时,裂纹和微孔均主要出现在奥氏体晶界处,归因于晶界处κ-碳化物的生成;当拉伸温度为1100、1200℃时,裂纹和微孔均主要出现在奥氏体和铁素体的相界处,归因于两相变形机制的不同。(3)通过进行等温热拉伸实验来研究fe-mn-al-c奥氏体基低密度钢在不同应变速率下的热变形行为,探究应变速率对于微观组织和力学性能的影响。结果表明:随着应变速率的降低,实验钢的流变应力逐渐减小,奥氏体晶粒尺寸逐渐增大,铁素体由“带状”结构变为“竹状”结构,最后变为“岛状”结构。同时随着应变速率的加快,实验钢塑性逐渐增强,归因于在高应变速率下,两相的变形抗力差异减小,硬度差异降低,变形协调性得到改善。

关键词： fe-mn-al-c系低密度钢等温拉伸开裂机制微观组织力学性能

固溶温度对fe-20mn-9al-1.2c低密度钢组织性能的影响

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东北大学学报（自然科学版） 2023年第5期44卷 609-616页

作者：王海涛李家栋邓想涛王昭东东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室辽宁沈阳110819

为了达到低密度高强钢优异强韧性结合的目的,设计了一种低密度高强钢fe-20mn-9al-1.2c,经冶炼、锻造和热轧后在900,950,1 000,1 050℃下分别进行固溶处理,保温24 min,并快速水淬,采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、... 详细信息

为了达到低密度高强钢优异强韧性结合的目的,设计了一种低密度高强钢fe-20mn-9al-1.2c,经冶炼、锻造和热轧后在900,950,1 000,1 050℃下分别进行固溶处理,保温24 min,并快速水淬,采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、电子探针(EMPA)等试验方法研究固溶温度对试验钢组织性能的影响.结果表明:所设计的新型低密度钢的密度为6.826 g/cm^(3),比常规钢的密度降低约13%.当固溶温度为1 000℃,低密度钢的综合力学性能最佳,其抗拉强度可达1 065 MPa,屈服强度为937 MPa,延伸率为65.3%,强塑积可达69.5 GPa·%,-40℃冲击功(V型缺口)为49 J.

关键词： fe-mn-al-c系低密度钢固溶温度 к-碳化物显微组织力学性能

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高铝低密度钢板带边裂成因分析及控制

兵器材料科学与工程 2020年第5期43卷 11-15页

作者：章小峰武学俊唐立志万亚雄黄贞益安徽工业大学冶金工程学院安徽马鞍山243032 冶金工程与资源综合利用安徽省重点实验室(安徽工业大学) 安徽马鞍山243032

以高铝fe-mn-al-c系低密度钢为对象研究热轧钢板边裂的形成原因。通过对不同成分低密度钢的相图计算,发现800~1 300℃主要为γ奥氏体+α铁素体两相区;700~800℃发生奥氏体共析转变,即γ→α+κ;低于700℃时,则是α铁素体和κ-碳化物两... 详细信息

以高铝fe-mn-al-c系低密度钢为对象研究热轧钢板边裂的形成原因。通过对不同成分低密度钢的相图计算,发现800~1 300℃主要为γ奥氏体+α铁素体两相区;700~800℃发生奥氏体共析转变,即γ→α+κ;低于700℃时,则是α铁素体和κ-碳化物两相共存。用XRD衍射仪、OM、SEM和能谱仪分析边裂部位组织构成,发现钢板边裂形成主要与奥氏体基体中κ-碳化物的有序析出密切相关,是钢中al、mn、c在γ奥氏体相中进行元素配分,al作为κ-碳化物的形成元素,促进κ-碳化物在奥氏体晶界生成,加剧低密度钢板边裂程度。

关键词：高铝高锰 fe-mn-al-c系低密度钢热轧板边裂 κ-碳化物