第 1 章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
随着人们生活水平提高，汽车总体产量和销售增长量平稳前进。虽然汽车工业受到 2008 全球金融危机的影响，产量下滑，但是金融危机之后，各国政府修改政策刺激经济复苏，汽车产量逐年创下新高（如图 1-1）。汽车产销量的增长造成全球能源短缺和环境污染。为了提高燃油经济效率，节省能源减少浪费，提高大气质量,实现节能，安全和环保的目的，车辆轻量化是一条行之有效的途径。轻量化是指在保证强度和安全性的前提下，尽量采用轻质金属材料可以降低车身重量，解决动力不足的问题，提高能源利用率并减少尾气排放，轻量化也是汽车厂商竞相追逐的目标。车辆燃油消耗与车身重量呈线性关系，研究表明车体质量每减少 100kg 就可以降低 0.39L 油耗，整车重量每下降 10%，油耗降低 6 个百分点，尾气减少 4 个百分点[1]。
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1.2 汽车用钢的研究现状
高强度高塑性已成为目前汽车用钢行业追求的主题，按照国际钢铁协会和各国学者的观点，依据强塑积（抗抗强度与总延伸率的乘积）的不同可以将汽车结构钢发展历史划分为三个阶段（三代）如图 1-2 所示，第一代汽车结构钢合金含量较低，其强塑积一般介于 10-20GPa%之间，无法适应未来汽车用钢的高强高塑性和高安全性能的发展要求[4]。因此，学者们尝试在钢中添加大量的 Mn、Al、Cr、Ni等合金元素，通过一定生产工艺可使其在形变过程中形成大量的孪晶，即典型的第二代汽车结构用钢—孪晶诱发塑性（TWIP）钢，由于孪晶的产生有效地细化了基体的晶粒，可使其强塑积高达 50-70GPa%。然而，TWIP 钢中合金元素添加量通常大于 25%，导致成本昂贵，且其存在热处理工艺复杂以及冶炼困难等问题严重阻碍了该种钢的发展与应用。因此，为了适应汽车行业节能减排、绿色发展以及汽车轻量化和高安全性的要求，开发高强度且兼具高塑性而成本较低的先进高强钢（第三代汽车钢）受到了国内外学者广泛关注，其典型代表为 δ-TRIP 钢、中锰 TRIP 钢和 Q&P 钢等。
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第 2 章 实验材料及实验方法
2.1 实验材料
根据第 1 章文献调研，本文选用中锰钢中 Mn 含量为 8 wt.%，并添加一定量的 Al 以提高两相区温度缩短退火时间，此外，Al 元素的添加可有效抑制渗碳体析出，增加钢中残余奥氏体的 C 含量，增加其机械稳定性。鉴于焊接性的考虑，本文 C 含量选择 0.2 wt.%。此外，钢中加以少量稀土元素辅之（稀土 Ce 对钢铁合金具有细化晶粒、纯净钢质以及防止脆化元素晶界偏聚等优点），具体含量如下表所示。
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2.2 试验钢两相区相变温度测试
试验钢相变点测试在河北钢铁研究总院德产 DIL805L 全自动相变膨胀仪上完成的。试样直径为 3mm，高度 10mm 的圆柱体。试验测试之前用金相砂纸打磨光滑，并用 CH3CH2OH 去除表面油污，然后在表面焊接热电偶，测试两相区相变点温度。试样以 3℃/s 加热速率升温至 950℃保持 10 min ，然后以 50℃/s 降速冷却至室温。根据试验结果（图 2-1）可知，本文试验钢的 AC1 温度为 610℃，AC3 温度为 740℃。
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第 3 章 ART 工艺对中锰钢微观组织及力学性能影响 ..................................... 19
3.1 中锰钢热处理工艺设计 ..................................... 19
3.2 半奥氏体化/奥氏体化温度对中锰钢的微观结构影响 ........................ 20
第 4 章 临界退火+回火工艺对中锰钢微观组织及力学性能的影响 ................ 29
4.1 退火温度对中锰钢微观组织的影响 ................. 29
4.2 退火温度对中锰钢机械性能的影响 ............................... 30
第 5 章 新型异质中锰钢强韧化机理研究 ................................. 41
5.1 异质结构的中锰钢元素配分行为研究 ................................ 41
5.2 异质结构中锰钢加工硬化行为 .......................... 42
第 5 章 新型异质中锰钢强韧化机理研究
5.1 异质结构的中锰钢元素配分行为研究
如图 5-1 为 A68-10 试样 ACTEM 形貌及不同元素面扫描结果。其中，图（a）和（b）分别代表微观组织的明场相和暗场相，图（c-f）分别为 Mn、Al、C 和 Fe元素的面扫分布图。由图（a）与图（b）可知，
A68-10 试样中含有不同形貌晶粒，其中包括颗粒状，大块状以及片层状形貌，ACTEM 测试结果与第四章的 EBSD 及TEM 分析结果吻合。根据元素分布图，锰、碳在奥氏体中有明显的富集，而 Al 和Fe 元素在铁素体中大量的集聚，说明合金元素在退火过程中进行了配分。然而 Mn与 C 在奥氏体中的分布行为却有所不同，根据图（c）与图（e），Mn 在奥氏体中排布比较分散，即存在异质化分布行为，而 C 元素在奥氏体中分布较为均匀。利用 ACTEM-EDS 定量测量不同形貌的奥氏体平均 Mn 含量（每种形貌取点 8 个以上），结果表明小颗粒状、大块状以及片层状奥氏体中 Mn 元素的平均含量分别为9.53%、12.34 %、13.47%。结合第四章 EBSD 分析结果可知，A68-10 试样基体中存在不同形貌、不同尺寸、元素异质分布的奥氏体组织，即异质化结构明显中锰钢成功制备。众所周知，奥氏体稳定性及含量对中锰钢具有重要的影响，而从相关文献[55]研究结果表明控制奥氏体稳定性的主要因素有晶粒尺寸、形貌及奥氏体中 C、Mn 含量。因此，本文制备异质结构中锰钢中的奥氏体必然存在不同稳定性，因此在形变过程中将在不同应变范围发生 TRIP 效应，从而实现高强度与高塑性的最佳匹配。
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结论
本文以合金成分设计和组织调控作为出发点，设计了传统的 ART 工艺和新型IT 工艺，围绕异质结构的残余奥氏体的 TRIP 效应对此类中锰钢进行多维度的分析，包括残余奥氏体和铁素体之间元素配分，微观组织形貌的调控技术和强韧化机制等，最终实现了超高强度与高塑性良好匹配的异质结构中锰钢。全文研究结论如下：
（1）试验钢经过 ART 工艺处理的最佳奥氏体化温度范围为 740℃~790℃即接近或略高于 AC3 温度奥氏体化有利于提高材料的性能，在这个温度区间范围内，抗拉强度和屈服强度伴随着奥氏体化温度提高而逐渐降低，总延伸率逐渐提高，强塑积变化不大，约为 43GPa?%。
（2）试验钢进行低于 AC3 半奥氏体化 ART 处理时，半奥氏体化时间对微观组织影响较大，时间的延长中锰钢组织异质化程度不断增加。在略低于 AC3 温度奥氏体化时，增加保温时间可以获得高性能，720℃保温 60min 后 ART 处理试样综合力学性能最佳，抗拉强度、延伸率和强塑积分别达到 1296MPa、33.9%和 43.93 GPa.%。
（3）本文设计中锰钢经过退火+回火工艺（IT）处理后在 680℃退火 10min 条件下可以获得不同形貌、不同晶粒尺寸以及元素异质分布的奥氏体与铁素体组织，这种异质结构中锰钢的抗拉强度、断后延伸率和强塑积分别达到 1272MPa、54.5%和 69.3GPa?%，其综合性能远远优于目前文献报道中相似成分的中锰钢，甚至优于传统 TWIP 钢。
（4）本文制备异质结构中锰钢，不同形貌奥氏体表现为分散机械稳定性，从而导致 TRIP 效应在塑性变形的前中后不同阶段持续进行，使其在较大的应变区域获得更高的加工硬化能力。此外，异质结构在形变过程中产生的背应力强化也是其获得优异塑性重要因素之一，即异质结构中锰钢在拉伸变形过程中的 TRIP 效应、背应力强化与位错强化等协同作用最终导致其高强度与高塑性的良好匹配。
参考文献（略）