Fe-Mn TWIP钢中孪晶强韧化机制的基础研究

There are different twins in number, size and morphology in Fe-Mn-Al-Si system, Fe-Mn-C system and the Fe-Mn-Al-C system TWIP steels with the same stacking fault energy(SFE). Different strengthening mechanism works during deformation due to these parameters in different system TWIP steel. These differences should be derived from the role of alloying elements in Fe-Mn TWIP steel. On the basis of these phenomena, this study proposes the method of combining the first-principle calculation, molecular dynamics simulation, microstructure and mechanical properties to carry out the fundamental study on twins strengthening and toughening mechanism of Fe-Mn TWIP steel. The effect of alloying elements of different systems TWIP steel on stacking fault energy(SFE), twins’ interfacial energy and mechanical properties is studied by first-principles from the atomic and electronic level to reveal the influence of alloying elements and mechanisms. The interaction of deformation twinning and different deformation mechanisms is simulated by molecular dynamics, simultaneously, TWIP steel model to predict the mechanical properties will be established combined with simulation result, mechanical properties and microstructure. The study result will provide theoretical basis in twins strengthening and toughening mechanism in steel, at the same time, the result will rich material design theory.

Fe-Mn-Al-Si系、Fe-Mn-C系和Fe-Mn-Al-C系TWIP钢中相同的层错能却出现了不同的孪晶数量、大小和形貌，这些参数又使孪晶在强化过程中以不同的强化机制起作用，这些差异应来源于合金元素在Fe-Mn TWIP钢中的作用和对孪晶的影响，基于这些现象，本课题提出基于第一性原理计算、分子动力学模拟、微观组织和力学性能相结合的方法进行Fe-Mn TWIP钢中孪晶强韧化机制的基础研究。通过第一性原理从原子、电子层面研究不同体系TWIP钢中合金元素种类、成分对层错能、孪晶界面能和力学性能的影响，揭示合金元素的影响规律和作用机制；通过分子动力学模拟孪晶和不同变形机制相互作用，同时和力学性能、微观组织相结合，建立预测不同体系TWIP钢力学性能模型。本项目研究成果为孪晶强韧化方式在钢中的广泛应用提供理论基础，同时必将丰富材料的设计理论。

随着能源的日益紧张与人类环保绿色理念的逐渐推广，相应地对汽车用钢的强韧性水平有了更高的要求。其中开发的高锰 TWIP（TWinning Induced Plasticity）钢具有高强度、高塑性、高应变硬化率和高能量吸收能力，可有效提高汽车的轻量化水平并缓解碰撞时的能量冲击。Fe-Mn-Al-Si系、Fe-Mn-C系和Fe-Mn-Al-C系TWIP钢中相同的层错能却出现了不同的孪晶数量、大小和形貌，这些参数又使孪晶在强化过程中以不同的强化机制起作用，这些差异应来源于合金元素在Fe-Mn TWIP钢中的作用和对孪晶的影响，基于这些现象，本课题运用密度泛函理论研究计算了Mn元素对γ-Fe的影响，揭示Fe-Mn合金晶体电子态密度中具有明显赝能隙，电子态密度主要由Mn-3d和Fe-3d轨道的电子贡献。因此Fe-Mn合金中存在金属键、共价键和少量离子键。随着C含量增加Fe-25Mn-XC合金的态密度赝能隙消失，并在低能级区域的态密度增加，在此区域三种元素间的电子轨道杂化较为强烈。C与Mn形成了Mn-C对，对合金具有强化的作用。计算了Al、C元素对Fe-25Mn合金层错能的影响，根据能带理论分析了合金元素对电子结构和晶体参数和力学性能的影响，为钢的成分设计和理论研究提供依据。基于介原子分子动力学方法提出的TWIP钢势函数基础上模拟计算研究了变形温度、拉伸速率、裂纹等变形条件对TWIP钢中孪晶拉伸变形的影响，拉伸变形时发现了一种压杆位错传导位错转向的机制，与压杆位错相连接的任意一个不全位错的方向转变为相反方向后，这种方向的转变可以通过不变的压杆位错来传递下去，从层错角度来看就是相互连接的不同取向的层错按顺序逐渐消失。其结果对深入理解孪晶在强韧化钢中所起的作用具有重要的参考价值。