孪晶特征对高锰TWIP钢氢脆行为的影响研究

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高锰奥氏体TWIP(Twinning-induced plasticity)钢因其优异的强度、韧性和抗氢脆性能,成为汽车轻量化和“氢经济”道路的候选材料之一。然而,TWIP钢在富氢环境下也会发生延迟开裂,无法保证服役过程的安全性。作为TWIP钢中的典型微观组织——孪晶,其在氢环境中具备双面作用,掌握孪晶特征(如孪晶厚度,孪晶体积分数,孪晶分布等)对TWIP钢氢致开裂行为的影响,对研发卓越力学性能和抗氢脆性能的高锰TWIP钢具有重要的参考价值。论文以Fe-22Mn-0.6C TWIP钢为研究对象。通过预拉伸和扭转等加载方式,调控材料的孪晶特征,利用预充氢后的慢应变速率拉伸实验(SSRT),结合扫描电子显微镜(SEM),透射电子显微镜(TEM)和电子背散射(EBSD)等技术,研究了孪晶特征对高锰TWIP钢氢脆行为的影响,研发出了高强、高韧、高抗氢脆性能的TWIP钢。主要研究结果如下:(1)研究发现氢致孪晶致密化增加TWIP钢的氢脆敏感性。实验发现氢降低TWIP钢的单个孪晶厚度(29 nm→21 nm)和孪晶间距,并且在大应变下,充氢前后的孪晶束厚度并无多大变化,即氢增加孪晶束内的孪晶密度,将这现象命名为氢致孪晶致密化(Hydrogen-enhanced densified twinning,HEDT)。同时基于应变速率差异制备出具有不同孪晶厚度的初始试样,根据比较孪晶和晶界相交导致的裂纹萌生比例,验证致密化孪晶提高局部应力集中,促进氢致裂纹萌生,提高TWIP钢的氢脆敏感性。(2)研究了具有不同孪晶体积分数TWIP钢的氢脆性能。通过预应变量改变孪晶体积分数,结合热处理消除位错的影响,发现在全奥氏体TWIP钢中,孪晶较位错具有更强的阻氢效果,孪晶体积分数的增加降低氢脆敏感性(22.27%→6%),高密度孪晶界一方面阻碍氢扩散,另一方面细化晶粒,抑制氢的积聚,降低氢致强度损失,但是延性损失较大。(3)研发出了高抗氢脆性能的类反梯度孪晶结构TWIP钢。通过预应变、扭转及热处理调控孪晶分布梯度,制备出了无梯度、正梯度和类反梯度结构TWIP钢,其中类反梯度孪晶结构TWIP钢具有最优的综合性能,其表面区域再结晶细晶提高抗氢脆性能,沿径向的孪晶梯度结构提供延性,基于“表层抗氢,梯度增韧”的思想,在保证高强度的同时,减少了氢致延性损失,制备出了具有优越力学性能(1155 MPa&63.14%)和抗氢脆性能(EIloss(%):4.01%;UTSloss(%):1.61%)的高锰 TWIP 钢。
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