孪生诱发塑性钢的低温变形与断裂机理

Twinning-induced plasticity (TWIP) steels as cryogenic material have attracted intensive research interest due to their low price, high combination of strength and toughness, good formability, and non-magnetic, etc. It is of great significance to understand the deformation and fracture behaviours of TWIP steel at the cryogenic temperatures. This project focus on the effect of alloying element and temperature on the deformation and fracture mechanisms of TWIP steels. The dislocation configuration, dislocation density, and twin volume fraction will be characterized during the tensile tests via transmission electron microscope (TEM) and neutron diffraction techniques, etc. A microstructure-based model will be developed to reveal quantitatively the strain-hardening mechanism of TWIP steels at room and cryogenic temperatures. Furthermore, digital image correlation (DIC) and J-R curve will be applied to investigate the plastic strain and energy consumed during the crack propagation process. Accordingly, an interface decohesion model will be proposed to explain qualitatively the mechanisms responsible for the low-temperature embrittlement of TWIP steels. The implementation of this project will promote the development of low-temperature steel industry in our country.

孪生诱发塑形（TWIP）钢作为新一代超低温用钢具有合金成本低、强韧性高、加工性能好并且无磁性等优点，是近年来的研究热点。深入理解TWIP钢在低温条件下的变形和断裂机理对设计高强韧低温TWIP钢具有重要指导意义。本项目以Fe-30Mn-3Al-3Si钢为基体合金，通过调节C和Mn元素保证奥氏体低温稳定的同时适当提高加工硬化率，研究合金元素和温度对TWIP钢变形和断裂行为的影响。利用透射电镜和中子散射等手段表征TWIP钢在不同温度下变形时位错组态、位错密度和孪晶体积分数的演化，并结合物理模型建立微观组织与力学性能的关系，揭示TWIP钢在不同温度下的加工硬化机制。利用场应变测量技术和J-R曲线表征TWIP钢裂纹尖端应变场及裂纹扩展所需能量，分析TWIP钢晶界的元素偏聚，提出TWIP钢低温界面开裂模型，定性解释TWIP钢的低温脆性机制。项目实施可加速我国低温钢工业的发展。

高锰钢作为历史最悠久的钢种之一，在21世纪之后仍经历多次发展与改良，成为汽车用先进高强钢、超低温用钢以及抗氧化耐热钢的优选材料。本项目围绕高锰钢的力学行为及其服役性能，重点关注了三个科学问题，一是高锰钢的加工硬化机制，二是高锰低温脆性的来源，三是如何抑制由锰带来氧化加剧的问题。这些问题都是高锰钢在新发展时期所面临的“硬骨头”。项目开展系列实验与理论研究，包括同步辐射、断裂韧性、基于微观组织演变的宏观模型、低温变形与断裂测试、长时间氧化测试等等。在这些可靠的结果基础上，得出以下结论：（1）实验和物理模型证据证明形变孪晶对高锰孪生诱发塑性（TWIP）钢的加工硬化行为贡献较小，间隙固溶原子是高锰钢力学性能的关键；（2）由C元素引起的晶界碳化物、晶界偏析以及应变速率敏感性提高是降低高锰钢低温韧性的重要因素；（3）原位析出第二相颗粒可以解决由Mn添加引起氧化速率加剧的难题。项目执行期间，参加2次学术交流活动，获得科技部、省科技厅对外合作交流项目的支持，发表7篇学术论文，授权5项发明专利，联合培养研究生4名