关键词：超快冷;;高强钢;;退火工艺;;强化机制;;变形机理;;本构模型
摘 要：随着汽车保有量不断升高,随之而来的道路、停车场、交通安全和燃油紧张等问题也日趋突出,因此汽车的减重、节能、小型化、安全以及环保等问题备受人们关注。而超高强度钢以其超高的强度及良好的塑性得到了汽车制造业的青睐。汽车板生产过程中退火工艺显得尤为重要,其中核心技术为连续退火的快冷技术。高强及超高强冷轧板在连续退火生产中冷却速度能不能达到生产工艺要求,直接影响到产品的机械性能。因此,提高快冷段的冷却速度,对提高产品性能,满足用户要求和提升市场竞争力等方面有重要意义。本文在实验室条件下进行了冷轧高强钢的成分设计、熔炼、锻造,在实验室的两辊热轧机上进行多道次控制轧制和控制冷却,热轧板经酸洗后在实验室四辊冷轧机上进行多道次冷轧,经过实验室的连续退火工艺获得了最终组织为多边形铁素体+马氏体的高强度级别冷轧钢板。通过对三种成分体系实验用钢超快冷条件下退火工艺参数的研究,可以得出,在超快冷条件(冷却速度50℃/s以上)下,随着退火温度的升高,实验用钢的抗拉强度和屈服强度先上升后下降,断后延伸率先下降后上升;随着过时效温度的升高,实验用钢的抗拉强度逐渐下降,而且过时效温度越高,抗拉强度的下降越明显,而屈服强度则随着过时效温度的升高逐渐升高,实验用钢的断后延伸率呈上升的趋势;随着快冷速度的提高,实验用钢的抗拉强度和屈服强度明显上升,并且随着退火温度的上升,屈服强度上升越加明显,而实验用钢的断后延伸率则随着快冷速度的提高明显下降。通过对连退冷却工艺中退火温度、快冷速度以及过时效温度的研究,1#实验用钢退火温度为860℃保温80s,快冷速度为1000℃/s,过时效温度为240℃保温240s时得到最高的抗拉强度为1070MPa;2#实验用钢退火温度为860℃保温80s,快冷速度为1000℃/s,过时效温度为240℃保温240s时得到最高的抗拉强度为1187MPa;3#实验用钢退火温度为860℃保温80s,快冷速度为1000℃/s,过时效温度为240℃保温240s时得到最高的抗拉强度为1615MPa,均实现了 1OOOMPa以上级别的要求。随后以1#和2#实验用钢为例,对实验用钢的强化机制进行研究,对于本文中的低合金高强钢而言,主要存在的强化方式为固溶强化、细晶强化、相变强化和位错强化。对于固溶强化增量,1#、2#实验用钢分别为107MPa、123MPa。在最优退火温度,过时效温度下1#实验用钢各快冷速度(50、200、500以及1000℃/s)下对应的细晶强化增量分别为234MPa、254MPa、265MPa以及271MPa,2#实验用钢各快冷速度下对应的细晶强化增量分别为241MPa、254MPa、271MPa以及278MPa。2#实验用钢在最优退火温度,过时效温度下各冷速条件对应的位错强化增量分别为24MPa、81MPa、122MPa以及275MPa。通过综合分析和对比实验用钢的强化增量理论值和实际值,发现均存在40MPa左右的差距,各强化机制除了会单独对实验用钢的强度有所贡献之外,还会有强化机制之间的相互作用,即存在重叠和加强。在实验用钢塑性变形特性的研究方面,采用准静态和中高应变速率拉伸实验,研究了从10-4s-1到1O00s-1九个应变速率下实验用钢的力学性能变化,发现1OOOMPa级冷轧高强钢在准静态变形条件下,强度变化不明显,断后延伸率基本不变;而在中高应变速率变形条件下,强度明显增加,断后延伸率升高,出现了明显的应变速率敏感性。利用Hollomon方程、修正的C-J分析法以及动态因子研究了 1OOOMPa级冷轧高强钢在不同变形条件下的变形特性,其表现为两阶段变形特性,第一阶段为铁素体塑性变形,第二阶段为马氏体塑性变形,而第一阶段的应变硬化能力强于第二阶段。通过金相组织观察,计算出了双相钢中铁素体晶粒尺寸和马氏体体积分数。通过透射电镜观察,研究了 1OOOMPa级冷轧高强钢的微观变形机理。实验用钢经动态拉伸后,内部组织发生明显的变化。铁素体内部出现大量位错,位错主要聚集在马氏体/铁素体晶界处,并且铁素体内部会出现位错塞积,铁素体本身发生碎化。马氏体经过高速拉伸,内部位错没有明显增加,但会沿着拉伸方向伸长,有明显的塑性变形。结合1OOOMPa级冷轧高强钢的组织特征和变形行为,本文对Johnson-Cook和Zerilli-Armstrong塑性本构模型进行了相应的修正,得到了适合于1OOOMPa级冷轧高强钢在大跨度应变速率范围条件下的本构模型。通过模型的可决系数比对,发现修正后的两种模型在准静态下均具有良好的拟合度,但在高应变速率下,修正的Z-A模型能更好的反映1OOOMPa级冷轧高强钢的塑性变形特性。
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