高强度钢多层次组织与塑韧性耦合关系研究

Based on our previous work, the project puts forward a composite parameter value Di for the high strength martensite and bainite steel with multi-level microstructures.Relative relation model between multi-level microstructures composite parameter and toughness,plastic index was established in this kind of steel through the relationship between Di and Hall-Petch equation,fracture mechanics parameters, and between non-uniform work (energy density) in tensile static toughness, the crack propagation work in impact toughness and fracture mechanics parameters. In order to study the relationship between multi-level microstructure parameter and ductility,toughness, the heat treatment methods with different cooling speed and prestrain are used to get different microstructure parameter , in the condition of original austenite grain size basically keeping no change. TEM, SEM, EBSD and its dynamic observation analysis technology are used to determine multi-level microstructure size, to find out the effect mechanism of multi-level microstructure parameter on toughness and ductility. The toughness and ductility are measured to confirm the established model. The established model can be used to predict different toughness and ductility of this kind of high strength steel, to design new material with high strength, toughness and ductility，and applied in titanium alloy,intermetallic compounds and other advanced metal materials. Meanwhile, improving strength、toughness and ductility by controlling multi-level microstructure parameters can be more simple shortcut.

本项目在前期工作基础上，提出了高强度马氏体钢的多层次组织复合参量Di值. 通过Di 与Hall-Petch方程及断裂力学参量关系, 拉伸静力韧度中的非均匀功比能、冲击韧性的裂纹扩展功与断裂力学参量的关系建立这类钢的多层次组织复合参量Di与韧性、塑性指标的相对耦合关系模型。采用预应变和不同冷速的热处理方法，在原奥氏体晶粒尺寸基本不改变的条件下，获得不同的各层次组织参量，来研究各层次组织参量与韧塑性的实验关系。采用TEM、SEM、EBSD及其动态观察分析技术，测定各层次组织尺寸、查明多层次组织参量对韧塑性的影响机制，并测定韧塑性指标来验证所建立模型。通过该模型来预测这类高强度钢的不同韧塑性能、设计创制具有高强韧塑性能的新材料，并推广应用到钛合金、金属间化合物等先进金属材料中。通过工艺方法对其多层次组织参量进行控制来显著提高强韧塑性能可能是更简单的捷径。

近年来，国内外学者对金属材料微观组织与性能之间关系进行了大量研究，但关于材料多层次组织对性能的影响仍然不清晰。本课题以20CrNi2Mo低碳板条马氏体钢为研究对象，通过不同的淬火温度对试验钢进行热处理，获取板条马氏体多层次组织参量，即原奥氏体晶粒 (dr)、马氏体束 (dp)、块 (db) 及板条 (dl)，且利用OM、SEM、EBSD、TEM等测试手段对多层次组织参量进行定量表征；然后，对不同状态的宏观性能 (拉伸性能、冲击性能)和裂纹韧性 (J1C) 进行测试（所有状态均为塑性断裂模式）。然后，利用Hall-Petch关系、临界孔穴比模型等建立力学性能指标与微观组织参量的关系，获得各性能指标的组织控制单元及其判据，并揭示多层次组织对力学性能影响机制。结果表明：随淬火温度的增加，原奥氏体晶粒尺寸 (dr)、马氏体束 (dp) 及块尺寸 (db) 逐渐增加，且dp、db与dr满足良好的线性关系，而马氏体板条厚度却略有减小；同时，试验钢的塑性和韧性逐渐增加，并通过Hall-Petch关系及相关分析，马氏体板条是试验钢塑韧性的有效晶粒，EBSD分析揭示了大量的板条通过自身的旋转、弯曲及剪切协调材料的塑性变形，粗晶状态这一现象更加明显。该结果也揭示了宏观塑韧性和细观塑韧性的一致性。最终，根据以上变化规律及复合参量模型，建立了各力学性能指标的微观组织控制的判据，同时建立马氏体多层次组织、塑韧性的耦合关系初步模型，为设计和创制新材料以及显著增加现有条状马氏体高强度钢力学性能奠定基础。