【摘 要】
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随着节能和环保要求的日益严格,以及高端装备轻量化和高性能需求,轻量化及高强韧性能的材料研发成为热点。C、Mn、Al元素的大量添加有利于密度的降低,其中,C-Mn-Al钢,尤其是奥氏体类型,因其低密度、高强度及高韧性的特性而备受关注,在交通运输、船舶、航空航天、兵器等领域具有广阔的应用前景。为了制备密度更低,强韧性能更高的奥氏体C-Mn-Al钢,需要对高强韧奥氏体低密度钢的组织调控工艺及强韧化机理进
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随着节能和环保要求的日益严格,以及高端装备轻量化和高性能需求,轻量化及高强韧性能的材料研发成为热点。C、Mn、Al元素的大量添加有利于密度的降低,其中,C-Mn-Al钢,尤其是奥氏体类型,因其低密度、高强度及高韧性的特性而备受关注,在交通运输、船舶、航空航天、兵器等领域具有广阔的应用前景。为了制备密度更低,强韧性能更高的奥氏体C-Mn-Al钢,需要对高强韧奥氏体低密度钢的组织调控工艺及强韧化机理进行深入研究。本文以奥氏体低密度C-Mn-Al钢为研究对象,通过改变合金元素含量（C、Mn、Al）,设计了x C-30Mn-11Al、1.0C-x Mn-11Al和1.0C-30Mn-x Al系列合金。采用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线能谱（XRD）、电子背散射衍射（EBSD）和三维原子探针（3DAP）等多尺度结构表征技术,以及拉伸和冲击试验,分析了不同设计合金的组织结构、强度和韧性演化规律,研究了Nb/V微合金化设计的奥氏体1.0C-30Mn-11Al钢经过热变形、固溶和时效处理后的组织和力学性能。重点分析了高强韧奥氏体低密度钢的成分设计、组织与力学性能之间的关系,研究了液氮温度（LNT）到500℃之间的强韧化机理和变形机制。主要结论如下:（1）通过定量分析系列元素含量C-Mn-Al低密度钢高温固溶处理后组织结构和强韧性能,构建了C-Mn-Al低密度钢的合金元素含量与密度、组织中κ碳化物尺寸和铁素体含量、拉伸以及冲击性能的定量关系,碳和铝含量每增加1 wt.%分别使密度降低0.1 g/cm~3,获得了低密度钢的优化合金成分。为奥氏体C-Mn-Al低密度钢的设计开发以及低密度钢的密度、组织结构及拉伸冲击性能的估算提供了依据。（2）通过热模拟实验确定了适用于低密度钢热加工组织细化工艺的控制参数,绘制了热加工图,构建了高温变形本构方程,确定再结晶激活能为389 k J/mol。利用较低温度区间热轧过程中的连续动态再结晶,成功制备了细晶粒、高强韧的C-Mn-Al低密度钢,为低密度钢提供了一条适合工业生产的强韧化技术路线。（3）通过对固溶处理后1.0C-30Mn-11Al-0.1Nb-0.1V钢的室温拉伸变形行为和机制研究,发现了低密度钢的室温变形组织以平面滑移为主。基于结构细化和流变应力,分析了低密度钢拉伸变形过程中的动态强韧化机理,构建了拉伸变形真应力-应变曲线模型,解释了Hall-Petch晶界强化常数和晶格摩擦应力均随拉伸应变增加而升高的理论基础。（4）通过对时效处理后1.0C-30Mn-11Al-0.1Nb-0.1V钢的组织和强韧性能研究,发现了合金的冲击韧性对κ碳化物尺寸十分敏感。κ碳化物尺寸＜1 nm时对韧性几乎无影响,尺寸大于3 nm显著降低冲击韧性。尺寸小于1 nm的κ碳化物在400℃时效表现出高的热稳定性,48h时效处理κ碳化物尺寸变化不大,但体积分数增加,屈服强度提高~100 MPa,同时韧性不降低,形成了实现低密度钢高强高韧的低温长时时效工艺。（5）提出并研究了低密度钢的微合金化成分设计。Nb/V/Ti元素在以纳米（Nb,V,Ti）C复合析出的形式弥散分布在基体上,并且在高温保温过程中稳定存在,阻碍奥氏体晶粒长大,细化组织;同时（Nb,V,Ti）C复合析出钉扎和阻碍位错运动,使低密度钢获得高强韧性能。（6）开展了低密度钢在不同温度的变形行为和机制研究。1.0C-30Mn-11Al-0.1Nb-0.1V-0.1Ti钢在LNT~500℃宽温度范围具有高的强塑性能匹配。揭示了奥氏体低密度钢的宽温域变形行为与机制。在宽温度范围内实验钢均具有大于50 m J·m-2的高层错能,其变形机制主要以平面滑移为主。高应变下,晶界等应力集中高的局部区域发现有少量变形孪晶。
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