低碳微合金钢的多尺度结构制备及强韧化机制

The aim of this project is to propose a novel idea on the design and fabrication of multi-scale gradient structure for strengthening and toughening of automotive steel materials by taking advantages of deformation control, grain refinement and dynamic transformation techniques. The gradient-distributed ultrafine/submicron-sized structure could potentially increase the capacity of the microstructure to accommodate the plastic stability during deformation, which is likely to be very beneficial for maintaining the tensile plasticity to a large strain regime concurrent with pronounced strain hardening. Accordingly, a series of research works related to the in-situ tensile and compression tests, the strengthening and toughening mechanisms and the realistic micromechanical modelling will be carried out to reveal the nature of the plastic deformation of such a multi-scale gradient structure. Based on these works, an innovative strengthening and toughening mechanism will be proposed as well. In the long run, this project will provide theoretical basis for application of new-generation lightweight automotive steel materials with low costs.

本项目以发展新型结构的钢铁材料为目标，提出了一种钢铁材料多尺度结构设计和制备的新思路。通过变形控制、晶粒细化和相变控制等途径，用常规成分的低碳微合金钢制备出沿厚度方向梯度分布的超细/亚稳米晶组织。这种新型的组织结构不仅赋予该钢超强的加工硬化能力，也提供了一种使钢的强度与塑性/韧性同步提高的新途径，其本质涉及了形变过程的梯度超细/亚稳米晶组织的塑性变形机理。通过微观结构的多尺度设计和制备、原位表征、强韧化机制和模拟等方面着手开展研究工作，揭示这种多尺度组织的塑性变形规律和本质。本项目通过研究这些规律性，提出一种钢铁材料梯度组织强化的创新性强韧化机制，在应用上为开发新一代高安全性、轻量化的经济型汽车用先进高强度钢板而奠定工艺理论基础。

本项目以发展新型结构的钢铁材料为目标，提出了制备多尺度的超细/亚稳米多尺度材料的新思路。通过合金设计、变形控制、晶粒细化和相变强化等途径，成功制备出了两种不同类型的多尺度结构材料：（1）在常规HSLA钢中制备出沿厚度方向梯度分布的超细/亚稳米晶单相组织；（2）在低碳中锰Nb-Mo微合金钢中制备出超细、亚微米和亚稳态的多尺度、多相组织。这种新型的组织结构不仅赋予了钢铁材料超高的加工硬化能力，也提供了一种使钢的强度与塑性/韧性同步提高的新途径。研究了轧制工艺参数与热处理制度对两类实验钢中多尺度组织形成与晶粒细化的影响规律，明确了获得高性能多尺度组织的最佳工艺条件：针对HSLA钢，沿热轧板材厚度方向铁素体的平均晶粒尺寸由亚微米（约0.70 μm）梯度过渡到微米（2~3μm）尺度，铁素体平均晶粒尺寸统计为1.06±0.72 μm，其中亚微米晶粒结构层厚度约为0.25 mm，兼具强度和延伸率的良好匹配；针对低碳中锰Nb-Mo微合金钢，制备出一种超细/亚微米（<200 nm）和亚稳态的多尺度、多相组织的高强可塑性的亚稳组织。通过多尺度组织表征、强化机制分析以及有限元模拟等方面着手开展了研究工作，揭示了其塑性变形和断裂行为以及强韧化机理。本项目的研究结果不仅有助于加深理解多尺度结构钢铁材料的形成机理，还可在应用上为开发新一代高强高韧且成形性能良好的汽车用高性能钢板提供技术原型。