汽车工业的快速发展对汽车用钢提出了更高要求,中锰相变诱导塑性(TRIP)钢作为第三代汽车用先进高强钢,由于其优秀的机械性能、相对低廉的成本、易加工性和轻量化等优势成为了研究热点。通过调控中锰钢的微结构、热处理工艺和轧制工艺,提高其综合机械性能与服役性能,是中锰钢实现工业化生产的重要基础。本文在Fe-6Mn-0.2C-3Al中锰钢的基础上,通过添加微量(0.6wt.%)Si元素(试样分别被标记为0Si和0.6Si)以调控其成分和微结构。材料经热轧之后,系统的研究了临界退火时间、应变速率、热处理工艺和轧制工艺等对材料的机械性能和氢脆性能的影响。获得以下主要结论:(1)热轧板在740℃下临界退火3～120min不等,退火时间对微结构、机械性能和断裂行为的研究表明:0Si的微结构为超细晶奥氏体和α-铁素体。0.6Si的微结构中既存在超细晶奥氏体和α-铁素体,也存在大量粗晶粒δ-铁素体,且在退火过程中,δ-铁素体的硬度急剧下降。短时间退火时,0.6Si的机械性能稍低于0Si试样,如下:退火3～7min时,0Si和0.6Si对应的强塑积分别为13.8～37.9GPa·%17.1～25.3GPa·%。长时间退火时,0.6Si的机械性能远高于0Si试样,如下:退火30～60min时,0Si和0.6Si对应的强塑积分别为 38.6～31.8GPa·%和 58.2～55.6GPa·%。0Si的微裂纹主要于γ(α’)/α界面处形核,0.6Si的微裂纹主要于γ(α’)/α和(γ(α’)+α)/δ界面处形核。当δ-铁素体的硬度高于奥氏体和α-铁素体时,0.6Si的微裂纹优先沿着(γ(α’)+α)/δ界面扩展,形成平行于拉伸方向的大量微裂纹,并造成断口分层;当δ-铁素体的硬度远低于奥氏体和α-铁素体时,0.6Si的微裂纹优先穿过γ(α’)/α结构,形成垂直于拉伸方向的大量微裂纹,当其扩展至较软δ-铁素体时,发生止裂。(2)选取机械性能最好的两种材料(0Si退火10min试样、0.6Si退火30min试样),在1×10-4/s～1×10-1/s的应变速率下进行实验,机械性能和断裂行为的研究表明:随着应变速率的增加,由于TRIP效应被抑制,0Si和0.6Si的抗拉强度和延伸率均大幅度降低,且0.6Si的延伸率降低的更快,比如:0Si的延伸率由44%下降至33%,0.6Si的延伸率由55%下降至35%。随着应变速率的增加,0Si的断面收缩率基本不变(约为70%),0.6Si的断面收缩率大约由51%增加至72%。应变速率并未影响0Si和0.6Si的断裂行为。然而,随着应变速率的降低,表面微裂纹的形核数量增加,扩展速率降低;断口的韧窝尺寸降低,二次裂纹数量和尺寸增加。(3)选取四种材料(0Si和0.6Si均退火3min和30min试样),系统的研究了成分和退火时间对氢脆性能和氢致断裂行为的影响。关于退火时间:随着退火时间的增加,0Si和0.6Si的氢脆敏感性均呈现上升趋势,比如:当退火3min时,0Si/0.6Si的塑性损失和强度损失分别为13.5%/46.7%和0.0%/1.7%;当退火30min时,0Si/0.6Si的塑性损失和强度损失分别为79.2%/76.5%和26.8%/6.3%。关于成分:退火3min时,0Si的氢脆敏感性较低;退火30min时,0.6Si的氢脆敏感性较低。相比空拉断裂行为而言,氢原子促进微裂纹更容易形核与扩展,进而导致材料提前断裂。对于0Si:微裂纹形核与氢原子无关,但是,氢致微裂纹呈沿晶和穿晶扩展。对于0.6Si:微裂纹形核与扩展与氢原子无关,断口则由细小的韧窝变为脆性准解理。(4)综合淬火配分(QP)、临界退火逆转变(IA)以及温轧(WR)三种热处理工艺,分别筛选出各自最优的试样:QP160、IA810和WR760,机械性能由高到低的顺序为:WR760>IA810>QP 160。预充氢时间为2h时,WR760、QP160和IA810的塑性损失分别为3.1%、24.2%和54.2%,可知,WR760的氢脆敏感性最小,IA810的氢脆敏感性最高,QP160的氢脆敏感性介于二者之间。综上,温轧是一种既可以提高材料机械性能,也能提高材料抗氢脆性能的一种有效工艺,这为今后研发高抗氢钢提供了有益的思路。(5)在不劣化市售马氏体材料(S0)机械性能的基础上,二次回火不同时间(30min,60min,120min),试样分别记为 S30、S60 和 S120,发现,二次回火工艺可以有效地提高其抗氢脆性能,如下:S0和S60的塑性损失和强度损失分别为100.0%/79.3%和35.9%/1.7%。二次回火试样抗氢脆性能高的原因如下:1、不可逆氢陷阱MoyCx析出物的长大;2、渗碳体/基体界面的增加;渗碳体/基体应变界面具有较高的陷阱能;3、位错密度的降低。