节约型双相不锈钢在TWIP+TRIP耦合效应下的应变硬化行为及微观机理研究

Poor ductility of lean duplex stainless steels (LDSSs) is the major bottlenecks for their application in automobile industry. It is possible that the poor ductility of LDSS can be effectively improved by using TWIP/TRIP effects. However, since the current studies only focus on the individual effect of both effects, the mechanism and the rule of strain workhardening of LDSSs are unclear when the TWIP and TRIP coexist during deformation, and thus the further ways for improving ductility are suppressed. In this project, based on the previous results on the TWIP+TRIP combined effects in the LDSS, combining theoretical analysis and physical tests as well as in-situ analysis technology, we plan to model the microstructural evolution including twinning and strain induced martensite during deformation; illuminate the sequence and the interactions of TWIP and TRIP as well as the response of the strain workhardening; clarify the effects of the deformation parameters and the initial parent austenite phase on the strain workhardening and microstructural evolution and then propose the adaptive rule of both critical factors for obtaining better properties; establish a simple constitutive relation considering the TWIP+TRIP combined effects and the nature of heterogeneous deformation of the two constituents. The expected results from the project can reveal the deformation mechanism of LDSS with TWIP+TRIP combined effects from multiple perspectives and clarify the essential relationship on the process/ initial microstructural condition-deformation-microstructure-property of LDSS, and provide the theoretical basis for the LDSS applying to automobile industry.

节约型双相不锈钢的低塑性问题是制约其广泛应用于汽车领域的主要瓶颈。利用TWIP/TRIP效应可望有效改善这类钢的塑性，但目前大多为两种效应的单独研究，缺乏TWIP+TRIP耦合作用下双相不锈钢应变硬化的机理诠释与规律梳理，导致进一步增塑途径受限。本项目基于节约型双相不锈钢变形时TWIP、TRIP效应共存的前期发现，综合理论分析与实验，借助原位分析技术，研究建立变形过程中组织演变模型，明确TWIP、TRIP效应演变历程、交互作用及对应变硬化的影响规律；厘清变形条件及初始奥氏体母相特征对阶段性硬化及组织演化的影响规律；提出获得高性能的变形条件及初始母相的适配准则；构建综合考虑TWIP+TRIP耦合效应及两相间非均匀变形本质的本构模型。多角度揭示节约型双相不锈钢在TWIP+TRIP耦合作用下的变形机制及初始组织条件/工艺-变形-组织-性能的关联性，为节约型双相不锈钢应用于汽车制造业提供理论基础。

传统节约型双相不锈钢的低塑性问题，可通过奥氏体相亚稳化设计，利用亚稳奥氏体的TRIP/TWIP效应予以有效改善。本项目重点从亚结构演变机制、变形条件和母相特征适配规律、宏微观耦合本构关系等多角度揭示了节约型双相不锈钢在TWIP+TRIP耦合作用下变形-组织-性能的关联本质。.　制备了具有不同形变诱导塑性效应（TRIP、TWIP、TWIP+TRIP）的试验钢，梳理了加工硬化规律的异同。探明了亚稳奥氏体中γ→ε→α′与γ→α′的两种相变机制；发现形变孪晶可作为马氏体形核点，从而阐明了TRIP、TWIP效应间的交互作用机理。厘清了应变速率、变形温度、预应变、加载方向对形变诱导塑性效应的影响规律，建立了不同变形条件下形变诱导马氏体动力学模型；提出了可评估变形条件综合影响的新方法，并明确了获取不同力学性能等级的工艺适配窗口。通过改变固溶温度和奥氏体相（或晶粒）尺寸调控了奥氏体稳定性，发现随着固溶温度升高，TRIP效应会向TWIP效应过渡，导致应变硬化由“三阶段”向“多阶段”转变；分别获得了形变诱导马氏体的“表观”动力学和消除奥氏体相比例影响的“归一化”模型。此外，发现奥氏体相细匀化对TRIP/TWIP效应的影响较奥氏体相内晶粒细化作用更显著，特别对于低奥氏体稳定性试验钢，奥氏体相尺寸呈“双峰”分布，提高了塑性近50%，显著改善了试验钢各向异性。.　通过考量组元相的固溶、细晶、位错强化机制，获得了组元相的应力应变关系，并基于混合定律及亚结构转变动力学规律，构建了能反映TRIP/TWIP效应的本构模型，解析了各组元间的应力/应变配分规律，提出了量化评估TRIP/TWIP效应对增强、增塑贡献的方法。此外，通过有限元二次开发，搭建了能够预测节约型双相不锈钢力学性能和马氏体相变的仿真平台，实现了相间协调变形特性和马氏体相变的可视化表征。. 综上所述，本课题按计划达到了预期目标，获得了较丰富的研究成果，可为充分利用TRIP/TWIP效应进一步实现节约型双相不锈钢强塑化提供理论基础，为解决实现该类高性能材质工业化大规模应用提供技术支撑。