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西南大学材料与能源学院—谭小东等在先进高强钢应变配分研究领域取得系列进展
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随着环境问题和能源危机的日益突显，车身轻量化已成为汽车制造业发展的必然趋势。为了满足车身减重和安全性的双重要求，迫切需要开发兼具低成本、高强塑积和易成型的第三代先进高强钢(advanced high strength steel, AHSS)。在此背景下，Speer等于2003年提出一种用于制备具有马氏体+残余奥氏体混合组织的高强高塑性钢的新工艺，即淬火配分(quenching and partitioning, Q&P)。旨在利用马氏体保证高强度，借助残余奥氏体的相变诱导塑性(transformation induced plasticity, TRIP)效应保证高塑性。Q&P钢因其兼具低成本、高性能的特点，一经问世便成为学术界和产业界共同关注的研究热点，是最具应用潜力的第三代AHSS之一。 当前Q&P钢的相关研究主要集中在完善碳配分热力学及动力学模型，改进热处理工艺和优化组织性能三个方面。在追求超高强度的背景下，Q&P钢的主流组织类型为马氏体基体+残余奥氏体。此类Q&P钢虽满足了超高抗拉强度的要求，但其超高的屈服强度和较低的塑性导致后续塑性加工成形难度加大，进而降低了此类Q&P钢的实际应用空间。近年，部分研究者在Q&P钢中引入软相铁素体来降低屈服强度和屈强比，期望利用铁素体变形和残余奥氏体的TRIP效应来改善塑性，进而开发出兼具高强度、低屈强比和高延伸性的Q&P钢。然而部分低硅含铝型和中锰型Q&P钢的研究显示，引入铁素体可以在一定程度上提高残余奥氏体的含量，但变形过程中发生TRIP效应的残余奥氏体的比例较低。同时，含铁素体型Q&P钢变形后期微裂纹极易在铁素体/马氏体相界面上萌生并沿界面扩展，导致其断裂失效极快。 为提高含铁素体型Q&P钢中TRIP增塑的有效性并降低软硬相界面的裂纹敏感性，我院新金属功能材料团队谭小东老师等与德国Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH (MPIE) Dierk Raabe教授、Dirk Ponge博士、逯文君博士以及东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室(RAL)吴迪教授、许云波教授等开展合作研究。运用准原位拉伸与微观数字图像相关(digital image correlation, DIC)及电子背散射衍射(electron back-scattered diffraction, EBSD)技术相结合的方法，重点研究了含铁素体型Q&P钢及TRIP钢中软硬相应变配分与TRIP效应和强塑性之间的关系；利用原子探针层析(atom probe tomography, APT)技术对各相间的碳配分展开了系统定量研究。在系统研究基础上提出了基于碳配分及应变配分控制的含铁素体型Q&P钢组织性能调控策略。相关研究结果已发表在《Acta Materialia》、《Materials Science and Engineering：A》等金属材料领域权威学术期刊上。上述研究工作得到了重庆市基础研究与前沿探索专项（重庆市自然科学基金）、西南大学博士启动基金等项目的资助。 代表性成果一： Xiaodong Tan*, Dirk Ponge*, Wenjun Lu*, Yunbo Xu, Huansheng He, Jun Yan, Di Wu, Dierk Raabe, Joint investigation of strain partitioning and chemical partitioning in ferrite-containing TRIP-assisted steels. Acta Materialia, 2020, 186: 374-388. 通过将准原位拉伸与微观DIC及EBSD技术相结合，系统定量研究了软硬相基体组织类型不同的热轧直接淬火配分钢中各相间的应变配分行为。重点分析了引入贝氏体对含铁素体型Q&P钢相间变形协调性的影响规律，揭示了软硬相基体组织应变配分调控TRIP效应的作用机制。同时，运用APT技术定量研究了铁素体、马氏体、贝氏体及残余奥氏体之间的元素配分行为，阐明了元素配分、相间应变配分及TRIP效应之间的相互作用关系。 论文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1359645420300057 代表性成果二： Xiaodong Tan*, Huansheng He, Wenjun Lu*, Liu Yang, Bo Tang, Jun Yan, Yunbo Xu, Di Wu, Effect of matrix structures on TRIP effect and mechanical properties of low-C low-Si Al-added hot-rolled TRIP steels. Materials Science and Engineering A, 2020, 771, 138629. （引用1次） 本工作系统研究了基体组织类型对低碳低硅含铝型TRIP钢中TRIP效应和宏观力学性能的影响。研究结果表明，基体组织为马氏体的TRIP钢中残余奥氏体含量较少，同时马氏体基体较低的变形能力导致变形过程中残余奥氏体的相变率较小。基体组织为铁素体和马氏体的TRIP钢因软硬相间明显的强度差，导致相间变形协调性较差，残余奥氏体的TRIP效应不能充分发挥增塑作用。在基体组织中引入贝氏体可以有效提高残余奥氏体的含量，改善软硬相间的变形协调性，促进TRIP效应的发生，进而大幅提高TRIP钢的综合性能。研究还发现，TRIP效应和软硬相基体组织间的协调变形共同决定TRIP钢的强塑性。为了优化TRIP钢的综合性能，研究者不但应强化TRIP效应而且应通过调控基体组织的相组元、比例及强度差来改善基体软硬相间的变形协调性。 论文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0921509319314157 代表性成果三： Xiaodong Tan*, Dirk Ponge*, Wenjun Lu, Yunbo Xu, Xiaolong Yang, Xi Rao, Di Wu, Dierk Raabe, Carbon and strain partitioning in a quenched and partitioned steel containing ferrite. Acta Materialia, 2019, 165: 561-576. （引用12次） 该论文运用原位拉伸与微观DIC及EBSD技术相结合的方法系统研究了含铁素体型Q&P钢中的应变配分行为。利用APT定量分析了铁素体、马氏体和残余奥氏体之间的碳配分行为。重点分析了铁素体/马氏体比例和马氏体区域形态对含铁素体型Q&P钢中应变配分和TRIP效应的影响，提出了基于基体组织相间应变配分调控的Q&P钢组织性能优化控制理论与技术。 论文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1359645418309613 |
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