伦敦帝国理工学院Mat Sci Eng A TWIP和TRIP对细晶中锰钢强度的贡献

概要介绍

对Fe-4.8Mn-2.8Al-1.5Si-0.51C（wt.%）组成的中锰钢进行热轧加工，得到代表两种不同方法的两种不同组织，形成等轴组织和混合等轴组织+层状组织。两者都表现出同时孪生诱导塑性和相变诱导塑性（TWIP+TRIP）机制，其中变形孪晶和a'-马氏体独立于应变孪生而形成。为了研究两种显微组织在变形结构上的差异，进行了断续拉伸试验。使用本构模型发现令人惊讶的是，孪生对合金强度的贡献相对较小，这主要是由于较细的初始滑移长度，这使得通过晶粒细分进行加工硬化的机会相对较小。尽管如此，中锰TWIP+TRIP钢比等效双相钢（2-3 wt.% Mn）低成本的合金添加量和更高的延展性，仍然是未来发展的一个有吸引力的方向。相关论文以题为“The relative contributions of TWIP and TRIP to strength in fine grained medium-Mn steels”发表在Materials Science & Engineering A期刊上。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.143864

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表1 用ICP（电感耦合等离子体）和IGF（惰性气体融合）测量的以†标记的元素的大块钢的质量百分比%的组成

图1 (a)所有拉伸试件的工程应力应变曲线，三角形表示拉伸试验中断到的应变，插图：所有拉伸样品的早期屈服行为；(b)拉伸试样在均匀伸长点处绘制的真实应力应变曲线和应变硬化率，开放的红圈和黑色方块表示中断试验的真实菌株，第一阶段的硬化速率没有标记清楚，但指的是塑性变形开始到第二阶段开始之间的真实应变范围，注意：引伸计在10%工程应变时被移除，FC-furnace cooling，WQ-water quenching

图2 (a)FC0，(b)FC4，(c)FC20，(d)WQ0，(e)WQ5，(f)WQ13，(g)FC60，(h)FC78，(i)WQ50，(j)WQ71的EBSD图像质量和相位图；（红色-奥氏体，绿色-铁素体/a’-马氏体，黑色-非索引部分，黑线表示大角度晶界（HAGB），白线表示奥氏体E3晶界，即退火孪晶界）；(k)奥氏体和(l)a’-马氏体相分数随真应变变化的总结，注意：FC75和WQ68是从死后样品的均匀规格切片中获得的

图3 退火条件下(a) FC和(b) WQ的STEM-BF图像

图4 (a-d)FC4和(e-h)WQ5在第一个SHR峰的STEM-BF；(a)FC钢的一般微观结构；(b)图(a)中红色方块的放大图，显示奥氏体晶粒及其退火孪晶内部的堆垛层错；(c)单独奥氏体晶粒的堆垛层错；(d)堆垛层错（红色箭头）从终止于亚晶界的晶界发射，小孪晶（黑色箭头）从亚晶界发射；(e)WQ钢的一般微观结构，(f)等轴奥氏体晶粒内的部分位错；(g)位错在片状晶粒上堆积；(h)从层状晶粒的相间边界发射的位错

图5 (a-d)FC20钢和(e-h)WQ13钢在各自SHR鞍点处的透射电镜照片：(a)一个孪晶方向上的孪晶和另一个方向上的SFs的TEM-BF图片；(b)奥氏体晶粒中的两个孪晶系统；(c)从(b)中的奥氏体晶粒获得的衍射图显示了来自两个系统的孪晶斑点；(d, b)中红色正方形的HR-TEM，显示双交叉；插图：伪衍射图[110]r显示孪生点；(e)WQ钢的基本显微组织的STEM-BF显微图，孪晶非常有限；(f)形变奥氏体中形成形核的a′-马氏体薄板条TEM-BF显微照片；(g, f)中红色方块的TEM-BF显微照片；(h)从(g)中获得的衍射图显示了带有KS-OR的奥氏体和a'-马氏体

图6 (a-d)FC60和(e-h)WQ50在各自的第二个SHR峰处的透射电镜显微图：(a)变形奥氏体晶粒的TEM-BF显示靠近底部的长孪晶；(b, a)中红色方块的放大区域的HR-TEM显微照片显示了更短和更薄的峦晶，插图：伪衍射图[110]r显示孪晶条纹；(c)进一步放大(b)显示来自第二孪晶系统的短孪晶，插图：伪衍射图[110]r显示两个孪生条纹；(d)显示厚孪晶的奥氏体晶粒TEM-BF图；WQ50中(e)片层区域的TEM-BF显示出大量孪晶奥氏体晶粒，并且突出显示的奥氏体晶粒在片层尖端具有较大的孪晶密度；(f, e)中红色方块的放大图像，显示两个活跃的孪生系统，插图：孪晶区衍射图，黄色箭头指向主双子星点，青色箭头指向次双子星条纹。平行于[110r的光束；(g)另一个层状区域的STEM-BF和(h) (g)中红色方块的放大图像，显示a'-马氏体沿孪晶方向在孪晶奥氏体片层上生长，插图：(h)突出双胞胎的STEM-DF

图7 (a-c)FC60和(d-f)WQ50的TKD显微图：(a)波段对比；(b)FCC IPF-Z图；(c)FC60样品的BCC IPF-Z图；(d)WQ50样本的波段对比；(e)FCC IPF-Z图和(f)BCC IPF-Z图，Z方向指向纸面外，黑线表示HAGB

表2 TEM-EDS测量FC0和WQ0样品中各相合金元素的质量百分比，平衡为Fe，括号中给出的标准误差，dgrain为EBSD计算的等效圆直径，*为WQ0中奥氏体层状层的平均宽度，FC0和WQ0样品的晶粒形态分别为等轴状和片层状，†C含量由杠杆规则确定，假设铁素体中C含量可忽略不计，Vf-体积分数

图8 (a)FC和(b)WQ条件下的实验和模拟拉伸曲线；(c)FC和(d)条件下相分数随应变的实验和模拟变化；孪晶分数（ftwin）是指奥氏体中的孪晶分数乘以奥氏体分数；(e)FC和(f)WQ条件下各相的分量应力-应变曲线；(g)FC和(h)WQ条件下各个阶段对全局强度的累积贡献，注意：为了清晰起见，没有显示WQ条件下的模拟TWIP off曲线，因为它们与TWIP on曲线几乎相同，由于在微米和亚微米级滑移长度上位错的存储能力有限，TWIP on和TWIP off曲线在FC条件下非常相似，在WQ条件下几乎相同

表3 在Lee和De Cooman的工作后，在本构模型中使用的参数值表

表4 本构模式试验参数及拟合参数表

全文结论

（1）与TWIP和DP钢相比，FC和WQ条件都表现出更好的力学性能，同时TWIP + TRIP塑性增强机制在两种条件下都起作用。

（2）提出了一种新的高碳奥氏体a′-马氏体成核生长机制。由于变形过程中应力高度集中，应力辅助下的a′-马氏体能够在奥氏体晶界处形核。由于具有较高的化学稳定性，a′-马氏体无法超越应力场生长到母奥氏体晶粒中，因此仍然很小。a′-马氏体晶粒的持续形成和缓慢生长极大地扩展了TRIP起作用的应变状态，并允许较大的延伸至失效。

（3）与FC样品中奥氏体晶粒直径相比，WQ样品中奥氏体片层宽度较短，导致孪晶平均自由程较短。这提高了临界孪生应力，因此只有在WQ样品中较高的应变下才能观察到广泛的孪生。

（4）建立了修正的本构模型，与实验数据吻合较好。模型还表明，TWIP效应在FC条件下没有显著增强，在WQ条件下几乎没有增强。TWIP效应强化作用的缺失是由于奥氏体相的滑移长度极小，尤其是WQ条件下，片层厚度在亚微米级。

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