Fe-11Mn-4Al-0.2C中锰钢准静态和动态变形行为

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.09.004

摘要/Abstract

摘要：

本文对比了Fe-11Mn-4Al-0.2C中锰钢变形过程中增塑机制和力学性能的演变规律.随应变速率增加（0.002~200 s^-1），中锰钢屈服强度和抗拉强度的变化趋势截然相反，屈服强度从507 MPa增加到649 MPa，但抗拉强度却从1 089 MPa降低到876 MPa.准静态加载时增塑机制以强相变诱导塑性（transformation‐induced plasticity，TRIP）效应为主；动态加载初期增塑机制以弱TRIP效应为主，加载后期TRIP效应消失，转变为温升软化效应和孪晶诱导塑性（twinning‐induced plasticity，TWIP）效应.动态加载初期的位错运动速率远高于准静态的，这导致动态的屈服强度高于准静态的.随着应变的增加，动态加载逐渐累积的绝热温升抑制了马氏体相变，降低了加工硬化能力，而准静态加载则不断产生高硬度马氏体，导致准静态的抗拉强度高于动态的.

关键词: 中锰钢, 准静态, 动态, 中断拉伸, 增塑机制

Abstract:

The evolution of plasticizing mechanism and mechanical properties of the Fe-11Mn-4Al-0.2C medium-Mn steel during deformation were compared in this paper. With the increase of strain rate （0.002~200 s^-1）， the trends of changes in yield strength and tensile strength for the medium-Mn steel are completely opposite. The yield strength increases from 507 MPa to 649 MPa， while the tensile strength decreases from 1 089 MPa to 876 MPa. The plasticizing mechanism of quasi?static loading is dominated by the strong TRIP （transformation?induced plasticity） effect. The plasticizing mechanism is dominated by the weak TRIP effect in the initial stage of dynamic loading， and the TRIP effect disappears and the plasticizing mechanism changes into the temperature rise softening effect and the TWIP （twinning?induced plasticity） effect in the later stage of dynamic loading. The dislocation motion rate in the initial stage of dynamic loading is much higher than that of quasi?static loading， which results in the higher yield strength of dynamic loading than that of quasi?static loading. With the increase of strain， the cumulative adiabatic temperature rise inhibits the martensitic transformation and reduces the work?hardening capacity under dynamic loading， while the high hardness martensite is produced continuously under quasi?static loading， which results in the tensile strength of quasi?static loading higher than that of dynamic loading.

Key words: medium-Mn steel, quasi?static, dynamic, interrupt tensile, plasticizing mechanism

中图分类号:

TP 20

冯毅, 张德良, 蔡志辉, 黄光杰. Fe-11Mn-4Al-0.2C中锰钢准静态和动态变形行为[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2024, 45(9): 1244-1251.

Yi FENG, De-liang ZHANG, Zhi-hui CAI, Guang-jie HUANG. Quasi-Static and Dynamic Deformation Behavior of Fe-11Mn-4Al-0.2C Medium-Mn Steel[J]. Journal of Northeastern University(Natural Science), 2024, 45(9): 1244-1251.

图/表 16

图1 拉伸试样尺寸（单位：mm）

Fig.1 Dimensions of tensile test specimen（unit: mm）

图2 中锰钢0.002~200 s-1加载力学性能

Fig.2 Mechanical properties of medium-Mn steel

图3 鱼骨拉伸试样尺寸（X=11，12.25，14.75；单位：mm）

Fig.3 Dimensions of fish bone tensile specimen （X=11，12.25，14.75；unit：mm）

图4 外部夹具

Fig.4 External fixture device

图5 中锰钢中断拉伸试验（a）—0.002 s-1；（b）—0.2 s-1；（c）—对比.

Fig.5 Interrupt tensile test of medium-Mn steel

图6 未变形中锰钢850 ℃水淬的组织形貌（a）—SEM；（b）—TEM.

Fig.6 Micro?morphologies of the undeformed medium- Mn steel sample quenched at 850 ℃

图7 未变形中锰钢组织Mn, C和Al质量分数（a）—Mn；（b）—C和Al.

Fig.7 Mass fractions of Mn，C and Al in the microstructure of the undeformed medium-Mn steel

图8 中锰钢准静态加载不同应变的组织形貌（a）—0.10；（b）—0.25；（c）—0.35（断裂）.

Fig.8 Morphologies of medium-Mn steel samples under quasi?statical loading with different strains?T=?Qρcp=gρcp∫ε2ε1σtdεt . （2）

图9 中锰钢动态加载不同应变的组织形貌（a）—0.10；（b）—0.25；（c）—0.35；（d）—0.40（断裂）.

Fig.9 Morphologies of medium-Mn steel samples under dynamical loading with different strains

图10 不同应变下XRD测量结果（a）—XRD图谱；（b）—奥氏体体积分数.

Fig.10 Result of XRD measurement of the samples under the different strains

表1 动态加载不同应变时绝热温升 (loading with different strains)

Table 1 Adiabatic temperature rise under dynamic

工程应变	0.10	0.25	0.35	0.40(断裂)
0.2 s^-1绝热温升/K	15	45	68	77

图11 εe=0.10时奥氏体?2=45°的方向分布函数(ODF)的等高线（a）—0.002 s-1；（b）—0.2 s-1.

Fig.11 Contour plots of the orientation distribution function (ODF) for austenite with ?2=45° at εe=0.10

图12 不同应变速率加载试样断裂后的TEM组织（a）—0.002 s-1；（b）—0.2 s-1.

Fig.12 TEM micrographs of the specimen tensile fracture at different strain rates

表2 动态加载不同应变下的层错能 (at the different strains)

Table 2 Stacking fault energy under dynamic loading

工程应变	0.10	0.25	0.35	0.40
0.2 s^-1层错能/（mJ·m^-2）	11.8	18.2	23.1	25.1

图13 未变形试样和变形初期试样的MWH算法

Fig.13 MWH algorithm of the undeformed and initial deformation samples

表3 未变形试样和变形初期试样奥氏体位错密度

Table 3 Austenite dislocation density of the undeformed and initial deformation samples

应变速率/s^-1	工程应变	奥氏体位错密度/m^-2
0	0	7.71e+14
0.002	0.10	21.12e+14
0.2	0.10	20.57e+14

参考文献 30

1	蔡志辉，丁桦，薛鑫.新型中锰热轧TRIP钢组织演变及力学性能［J］.东北大学学报（自然科学版），2013，34（1）：62-65，70.
	Cai Zhi‑hui， Ding Hua， Xue Xin.Microstructure evolution and mechanical properties of a novel medium-Mn hot‑rolled TRIP steel［J］.Journal of Northeastern University （Natural Science），2013，34（1）：62-65，70.
2	Kalhor A， Soleimani M， Mirzadeh H，et al.A review of recent progress in mechanical and corrosion properties of dual phase steels［J］.Archives of Civil and Mechanical Engineering，2020，20（3）：85-96.
3	韦习成，符仁钰，李麟，等.不同应变率下 TRlP钢的拉伸性能［J］.上海金属，2002，24（4）：32-36.
	Wei Xi‑cheng， Fu Ren‑yu， Li Lin，et al.Tensile property of TRIP steel under different strain rates［J］.Shanghai Metals，2002，24（4）：32-36.
4	史文超.TRIP780高强钢动态变形行为的宏微观研究［D］.上海：上海交通大学，2009.
	Shi Wen‑chao.Macroscopic and microscopic study on dynamic deformation behavior of TRIP780 high strength steel［D］.Shanghai：Shanghai Jiao Tong University，2009.
5	Tian R， Li L， de Cooman B C，et al.Effect of temperature and strain rate on dynamic properties of low silicon TRIP steel［J］.Journal of Iron and Steel Research International，2006，13（3）：51-56.
6	Sahu P， Curtze S， Das A，et al.Stability of austenite and quasi‑adiabatic heating during high‑strain‑rate deformation of twinning‑induced plasticity steels［J］.Scripta Materialia，2010，62（1）：5-8.
7	Xu M， Yang Y G， Chen J Y，et al.Effects of strain states on stability of retained austenite in medium Mn steels［J］.Journal of Iron and Steel Research International，2017，24（11）：1125-1130.
8	Hwang S W， Ji J H， Park K T.Effects of Al addition on high strain rate deformation of fully austenitic high Mn steels［J］.Materials Science and Engineering：A，2011，528（24）：7267-7275.
9	Lee S， Estrin Y， de Cooman B C.Effect of the strain rate on the TRIP‑TWIP transition in austenitic Fe-12pctMn-0.6pctC TWIP steel［J］.Metallurgical and Materials Transactions A，2014，45（2）：717-730.
10	蔡志辉.高强塑性中锰钢的组织演变及力学性能的研究［D］.沈阳：东北大学，2015.
	Cai Zhi‑hui.Study on microstructural evolution and mechanical properties of medium manganese steels with superior strength and ductility［D］.Shenyang：Northeastern University，2015.
11	Cai Z H， Ding H， Misra R D K，et al.Austenite stability and deformation behavior in a cold‑rolled transformation‐induced plasticity steel with medium manganese content ［J］.Acta Materialia，2015，84：229-236.
12	Min J Y， Hector L G J， Zhang L，et al.Plastic instability at elevated temperatures in a TRIP-assisted steel［J］.Materials & Design，2016，95：370-386.
13	Kozłowska A， Grzegorczyk B， Morawiec M，et al.Explanation of the PLC effect in advanced high‑strength medium-Mn steels：a review［J］.Materials，2019，12（24）：4175.
14	王礼立，王永刚.应力波在用SHPB研究材料动态本构特性中的重要作用［J］.爆炸与冲击，2005，25（1）：17-25.
	Wang Li‑li， Wang Yong‑gang.The important role of stress waves in the study on dynamic constitutive behavior of materials by SHPB［J］.Explosion and Shock Waves，2005，25（1）：17-25.
15	徐明利，张若棋，张光莹.SHPB实验中试件内早期应力平衡分析［J］.爆炸与冲击，2003，23（3）：235-240.
	Xu Ming‑li， Zhang Ruo‑qi， Zhang Guang‑ying.Analysis of early stage specimen stress equilibrium in SHPB experiment［J］.Explosion and Shock Waves，2003，23（3）：235-240.
16	Yen H W， Ooi S W， Eizadjou M，et al.Role of stress‑assisted martensite in the design of strong ultrafine‑grained duplex steels［J］.Acta Materialia，2015，82：100-114.
17	Ma J W， Liu H T， Lu Q，et al.Transformation kinetics of retained austenite in the tensile Lüders strain range in medium Mn steel［J］.Scripta Materialia，2019，169：1-5.
18	Curtze S， Kuokkala V T.Dependence of tensile deformation behavior of TWIP steels on stacking fault energy，temperature and strain rate［J］.Acta Materialia，2010，58（15）：5129-5141.
19	Mazancová E， Mazanec K.Stacking fault energy in high manganese alloys［J］.Materials Science and Engineering：A，2009，16（2）：26-31.
20	Gey N， Petit B， Humbert M.Electron backscattered diffraction study of ε/α’ martensitic variants induced by plastic deformation in 304 stainless steel［J］.Metallurgical and Materials Transactions A，2005，36（12）：3291-3299.
21	Saeed‑Akbari A， Imlau J， Prahl U，et al.Derivation and variation in composition‑dependent stacking fault energy maps based on subregular solution model in high‑manganese steels［J］.Metallurgical and Materials Transactions A，2009，40（13）：3076-3090.
22	宋仁伯，霍巍丰，周乃鹏，等.Fe-Mn-Al-C系中锰钢的研究现状与发展前景［J］.工程科学学报，2020，42（7）：814-828.
	Song Ren‑bo， Huo Wei‑feng， Zhou Nai‑peng，et al.Research progress and prospect of Fe-Mn-Al-C medium Mn steels［J］.Chinese Journal of Engineering，2020，42（7）：814-828.
23	Allain S， Chateau J P， Bouaziz O，et al.Correlations between the calculated stacking fault energy and the plasticity mechanisms in Fe-Mn-C alloys［J］.Materials Science and Engineering：A，2004，387/388/389：158-162.
24	Frommeyer G， Brüx U， Neumann P.Supra‑ductile and high‑strength manganese‑TRIP/TWIP steels for high energy absorption purposes［J］.ISIJ International，2003，43（3）：438-446.
25	闫翠，李麟，符仁钰，等.TRIP钢的研究进展［J］.上海金属，2008，30（4）：40-44.
	Yan Cui， Li Lin， Fu Ren‑yu，et al.A review on research progress of trip steel［J］.Shanghai Metals，2008，30（4）：40-44.
26	Koyama M.Twinning‑induced plasticity （TWIP） steel［M］//Encyclopedia of Materials：Metals and Alloys.Amsterdam：Elsevier，2022：95-105.
27	李亦庄，黄明欣.基于中子衍射和同步辐射X射线衍射的TWIP钢位错密度计算方法［J］.金属学报，2020，56（4）：487-493.
	Li Yi‑zhuang， Huang Ming‑xin.A method to calculate the dislocation density of a TWIP steel based on neutron diffraction and synchrotron X-ray diffraction［J］.Acta Metallurgica Sinica，2020，56（4）：487-493.
28	Gray G T.High‑strain‑rate deformation：mechanical behavior and deformation substructures induced［J］.Annual Review of Materials Research，2012，42：285-303.
29	Fan H D， Wang Q Y， El‑Awady J A，et al.Strain rate dependency of dislocation plasticity［J］.Nature Communications，2021，12（1）：1845.
30	李春光，张伟，刘立现，等.不同应变速率双相高强钢动态力学行为微观机理分析［J］.锻压技术，2018，43（6）：166-171.
	Li Chun‑guang， Zhang Wei， Liu Li‑xian，et al.Analysis on micro‑mechanism of dynamic mechanical behavior for high‑strength steel with dual‑phase under different strain rates［J］.Forging & Stamping Technology，2018，43（6）：166-171.

[1]	马原, 佘黎煌, 李佳蔚, 鲍喜荣. 基于注意力机制的自适应图卷积三维点云识别算法[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2024, 45(6): 786-792.
[2]	贾蓬, 毛松泽, 钱一锦, 卢佳亮. 不同加载速率下冻融砂岩的动态劈裂特性[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2024, 45(1): 111-119.
[3]	赵永，古旭升，王述红，高煬. 不同岩性岩石单轴压缩破坏共性前兆特征[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2023, 44(9): 1309-1317.
[4]	朱钊，李源，韩逸涛. 车致爆炸作用下装配式桥墩损伤模式及安全防护距离[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2023, 44(9): 1337-1348.
[5]	李海峰，杨巧婷，邵磊，邹宗树. 高炉内料层结构动态追踪的技术开发[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2023, 44(5): 617-625.
[6]	李婵，曲璐渲，信俊昌，王之琼. 基于潜在调控因子筛选的高阶动态贝叶斯建模方法[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2023, 44(3): 323-330.
[7]	苏元飞，李慧杰，徐晓宁，叶其斌. 温轧对DP590钢层状超细晶双相组织与拉伸性能的影响[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2023, 44(3): 357-363.
[8]	耿蓉，张昭，牛天水，王宇飞. 基于改进蚁群算法的天基资源调度研究与仿真[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2023, 44(2): 168-176.
[9]	王娜，李杨，彭锟. 基于多角度特征提取的舵机故障诊断方法[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2022, 43(9): 1240-1249.
[10]	信俊昌，郭恩铭，张嘉正. 基于时序区分子图的阿尔茨海默症辅助诊断方法[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2022, 43(8): 1089-1096.
[11]	李小彭，樊星，李凯，张凌越. 考虑负载时变的线路巡检机器人动态性能分析[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2022, 43(5): 660-667.
[12]	李奇，于天彪，王宛山. 光学自由曲面铣床静动态特性研究[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2022, 43(5): 674-680.
[13]	丁山，臧仕义，曹殿明，佘黎煌. 基于动态ID跳变的CAN总线安全调度算法[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2022, 43(3): 350-358.
[14]	蔡志辉，张德良，文光奇，周彦君. Fe-11Mn-4Al-0.2C中锰钢动态变形行为及其本构模型[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2021, 42(9): 1275-1281.
[15]	张瑞友，王超慧，陈勇强. 基于控制思想求解非线性规划问题的李雅普诺夫方法[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2021, 42(9): 1217-1226.