冷轧奥氏体不锈钢车体板材不同位向变形行为及其应变速率敏感性的研究

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1、1817330办交硕士学位论文冷轧奥氏体不诱钢车体板材不同位向变形行为及 其应变速率敏感性的研究Study on Deformation Behavior and Strain Rate Sensitivity of the Cold-rolling Austenitic Stainless Steelin Different Directions作者：赵会美 导师：刘伟副教授学校代码：10004 密级：公开中图分类号: UDC：京交通大学硕士学位论文冷乳奥氏体不诱钢车体板材不同位向变形行为及其应变速率作者姓名：赵会美敏感性的研究Study on Deformation Behavior an

2、d Strain Rate Sensitivity of the Cold-rolling Austenitic Stainless Steel in Different Directions学 号：08121872北京交通大学2010年6月 刘伟 工学 材料学导师姓名:学位类别: 学科专业:职 称：副教授学位级别：硕士 研究方向：塑性成形北京交通大学硕士学位论文中文摘粟.致谢本论文的工作是在我的导师刘伟副教授的悉心指导下完成的，刘伟副教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在论文撰写期间，刘 伟老师给予了我细心的指导和不解的支持，在这种无私的帮助和指导之下，我的 论文研究

3、取得很大的进步，使我的论文得以顺利完成。在求学期间，刘伟老师不 仅在学业上给予我精心的指导，而且在思想和生活上也给了我无微不至的关怀， 为我的人生之路指明了方向。在此衷心感谢两年来刘伟老师对我的关心和指导。部弾老师悉心指导我完成了实验室的科研工作，在此向部弊老师表示衷心的 谢意。北京航空航天大学的吴向东老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝 贵意见，在此表示衷心的感谢。在实验室工作及撰写论文期间，韩军雷、王润姣、孙传景等同学对我论文的 研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。m中文摘要摘要：亚稳态的高氮301L冷轧

4、系列板是制造不诱钢轨道客车的主材，也是目 前工程领域应用的层错能和稳定性最低的奥氏体不锈钢，因其在室温下塑性变形 能产生应变诱导马氏体强化相，所以具有极强的加工硬化能力。目前，国产奥氏 体不诱钢冷乳板材已经投入使用，但由于缺乏基础研究，使用中遇到了诸如板材 的塑性成型难度大、成型质量差等许多亟待解决的困难。本文以国产301LDLT、 301L-ST和301L-MT三种硬化强度等级依次升髙的冷轧板为研究对象，通过冷轧 板材不同位向和不同变形速率的单轴拉伸以及拉深成型试验，研究不同强化等级 板材的塑性成型性能，探讨可能用于改进其塑性成型性能的方法。研究结果表明：板材与乳制方向平行、垂直以及成45角

5、的屈服强度差距随板 材的硬化强度等级升高而增大；同一板材不同位向的屈服强度不同，轧制方向最 大，垂直方向最小，45角居中；板材不同位向的应变诱导马氏体转变量也不同， 轧制方向马氏体转变量最少，应变硬化率最低，而垂直方向的马氏体转变量和硬 化率最高；不同硬化强度等级板材的塑性应变比r随与乳制方向角度的增加而降 低；硬化强度等级升高，应变比r和平面各向异性系数AT增大，板材的各向异性 和成型难度增大，成型性能降低；硬化强度等级较高的板材可以通过调整板材成 型加工位向，改善成型质量。板材变形行为对应变速率速率的敏感性随硬化强度 等级升高而降低，301L-DLT板的应变速率速率敏感性最高，301L-M

6、T板的最低； 三种板材的应变硬化率随着应变速率的增加而降低,硬化等级最低的301L-DLT板 的硬化率随应变速率降低值最大，而301L-MT板的最小；硬化强度等级低的板材 可以通过降低变形速率改善塑性成型性能。三种硬化强度板材的拉深试件在与板材乳制方向和垂直方向出现凸耳，硬化 等级越高，凸耳越明显；冲模速率加快，平面应变区增大，容易发生塑性失稳； 试验结果表明，通过调整板材位向和降低变形速率提髙板材成型质量可行。 关键词：冷乳301L板；板材位向；应变速率；应变硬化；塑性成型 分类号：北京交通大学硕士学位论文 ABSTRACTABSTRACTABSTRACT:With high nitroge

7、n metastable 301L cold-rolling series steel is the main material on creating rail vehicles,which is the applied austenitic stainless steels with the lowest stacking fault energy and stability in engineering, currently.Because it can produce strain-induced martensite strengthening phase by means of p

8、lastic deformation，and therefore it has a strong work-hardening capacity. At present, the domestic cold-rolling stainless steel sheet has been put into use,but owing to the lack of basic research,there are many of difficulties be solved urgently during use，such as plastic molding difficult, poor mol

9、ding quality and so on. In this paper,selecting the increasing levels of three hardening strength domestic cold-rolling plate 301L-DLT, 301L-ST and 301L-MT for study-Different direction and different strain rate uniaxial tension and deep drawing forming tests are to research the properties of the pl

10、astic molding for different levels sheets,and investigate the feasible method of improving the performance.The results show as followed: with the increasing levels of hardening strength plate,the disparity of the yield strength between the plate and the rolling direction, perpendicular and 45 angle

11、is larger. The same plate with different direction different to the yield strength, the largest is the rolling direction, and perpendicular to the direction is the smallest, and 45。angle is the middle. The strain-induced martensite of the plate for the different direction is different also. The leas

12、t amount of martensitic is rolling direction,leading its worden-hardening rate to be the lowest; while the highest martensite hardening capacity and worden-hardening rate is vertical direction. Along with the increasing of the angle,the plastic strain ratio r of the different hardening strength grad

13、e sheet decreases.The higher hardening intensity level,the biger the plastic strain ratio r and plane anisotropy is.So it causes sheet anisotropy and the difficulty of forming increasing,and molding performance degradating. Higher strength grade sheet can be adjusted to position of the forming sheet

14、 so that it can improve the forming quality. The strain rate sensitivity of the 301L cold-rolling series steel increases with the hardening intensity level decreasing; 301L-DLT has the maximum strain rate sensitivity,and 301L-MTs sensitivity is the minimum. So the properties of plastic molding for l

15、ower strength grade lumber can be improved by reducing the strain rate.vThe deep-drawing samples of the three hardening strength sheet appear lugs in rolling direction and the vertical direction;and the higher hardening strength level, the more obvious the lug is.When the rate of dicing speeds up, t

16、he plane strain zone expands,which will increase the occurrence of plastic instability. The results show that by adjusting the plate position and reducing the strain rate to improve the quality of sheet metal forming is feadsible.KEYWORDS： 301L cold-rolling steel； plate direction； strain rate; strai

17、n harding; plastic deformationCLASSNO：序亚稳态的高氮301L冷轧系列板是制造不诱钢轨道客车的主材，因其在室温下 塑性变形能产生应变诱导马氏体强化相，所以具有极强的加工硬化能力。目前， 国产奥氏体不诱钢冷乳板材已经投入使用，但由于缺乏基础研究，使用中遇到了 诸如板材的塑性成型难度大、成型质量差等许多亟待解决的困难。所以对于板材 塑性成型的理论研究，优化成型件的性能和质量，具有十分重要的学术价值和实 际意义。本文以国产3(HL系冷轧板为研究对象，通过冷乳板材不同位向和不同变形速 率的单轴拉伸以及拉深成型试验，研究不同强化等级板材的塑性成型性能，探讨 可能用于改

18、进其塑性成型性能的方法，并取得了一定的成效。本论文的研究工作是在国家高技术研究发展计划资助重点项目， (2008AA030702)和铁道部科技研究开发计划项目(2008J016)的支持下进行的。北京交通大学硕士学位论文目录中文摘要iiiABSTRACTiv序vi1 m11.1不诱钢轨道轻量客车的特点及应用11.1.1国外不诱钢轨道轻量客车的发展及特点11.1.2我国不绣钢轨道轻量客车的研究与应用31.1.3不绣钢车体板材的研究与发展41.2奥氏体不锈钢车体板材的强化机制51.2.1高氮奥氏体不绣钢的特点51.2.2亚稳态奥氏体不诱钢的强化机理61.2.3奥氏体不诱钢的应变诱导马氏体转变71.2

19、.4应变速率对应变诱导马氏体转变及变形行为的影响101.2.5其他影响奥氏体不诱钢变形行为的因素111.3选题的意义和主要研究内容112实验材料及方法132.1实验材料132.2单轴拉伸142.3拉深成型“152.4马氏体转变量的测定162.5微观组织试样制备173 301L奥氏体不诱钢的强化机制和变形组织183.1 301L奥氏体不锈钢的变形机制183.2应变诱发马氏体转变的形核与生长193.3冷乳301L板材的应变强化机理203.4冷乳301L板材拉伸变形微观组织213.5本章小结244冷乳301L板材位向对变形行为的影响254.1板材位向对301L冷轧板的变形行为的影响254.1.1板材

20、位向对301L-DLT板变形的影响254.1.2板材位向对301L-ST板变形的影响27VII4.1.3板材位向对301L-MT板变形的影响294.2扳材强化等级与位向影响的相关性304.3 301L冷乳板的塑性应变比354.5本章小结385 301L冷轧板不同位向变形行为的应变速率敏感性395.1 301L-DLT板变形行的应变速率敏感性395.2 301L-ST板变形行为的应变速率敏感性425.3 301L-MT板变形行为的应变速率敏感性445.4冷乳强化对应变速率敏感性的影响475.4.1冷礼强化与板材应变速率敏感性的关系475.4.2应变速率对冷轧板马氏体转变的影响515.4.3冷轧强

21、化板材不同位向变形应变速率敏感性525.5本章小结546 301L冷乳板材拉深成型性能556.1301L冷乳板的拉深成型566.1.1 301L-DLT 板拉深成型566.1.2 301L-ST 的拉深成型586.1.3 301L-MT的拉深成型606.2冷乳强化对301L冷轧板的拉深成型的影响616.3应变速率对301L冷乳板的拉深成型的影响636.4本章小结66总结与展望6769独创性声明72学位论文数据集73V1111绪论随着经济的飞速发展，人们对于现代交通工具的安全、快捷、经济等方面的 要求越来越严格。铁路提速对铁道车辆轻量化的要求越来越高，奥氏体不锈钢客 车不仅能大幅减重，更可大大降

22、低维修费用，已成为当今世界轻量化车的主流。 近期国家对铁路事业投入的不断加大，大批200公里以上高速轻量列车的即将投 入生产和使用，301L冷乳系列板是制造不诱钢轻量客车的主材，其具有优异的抗 疲劳性和抗腐蚀性，高强軔性和加工硬化性能的。但是，目前我国主要从日本和 欧洲进口，所以对301L冷轧车辆专用不诱钢板材国产化的需求也更加迫切。目前，城市轨道交通主要由地铁、城轨、城际等组成城市内部和城市之间的 交通网络，不锈钢车辆在车体外观、使用性能和维修费用等综合性价比方面占有 无与伦比的优势。不绣钢强度高，安全性能好，有利于轻量化和车辆提速，高防 腐和低维修成本，美观环保节能等，这些优点都是不诱钢在

23、轨道车辆上日趋普及 的原因。1.1不绣钢轨道轻量客车的特点及应用1.1.1国外不绣钢轨道轻量客车的发展及特点不诱钢车体主要经历了4个发展阶段：仅外墙板为不诱钢的外板不绣钢车、碳 钢底架的半不诱钢车、全不诱钢车和轻量化不诱钢车。近几年随着客车速度的不 断提高，车体结构轻量化越来越重要。不锈钢列车以其启动快、速度高、安全舒 适、振动与噪声小等优点成为未来列车发展的主流方向。北京交通大学硕士学位论文冷轧301L板材位向对变形行为的影响.世界上最早把不诱钢材料用于车辆制造的是美国的Budd公司，它于1932年研 制出世界上第一台不诱钢铁路客车，而发展最快的是日本，到目前为止，无论是 生产规模还是制造工

24、艺水平，均居世界领先水平。日本首次制造的不诱钢车辆为 1958年问世的东急5200系，这种车辆将车辆的外墙板换成不锈钢板，提高了车体 表面防腐性能及无涂装化，基本可以免维修，节省了运营成本。1959年末日本与 美国巴德公司进行技术合作，于1962年在研制开发出以不锈钢为主要结构件的不 诱钢车，以东急7000系为代表，这种车辆除车体底架中缓冲梁、牵引梁、枕梁采 用一般的合金钢外，其余部分全部釆用不诱钢，提高了防腐性能，实现了车体薄 壁化，轻量化，使整车重比普通碳钢车减低20%,为铁路提速提供了可能性。1982 年至今，日本开始独立研制最新的第三代轻量化全不绣钢车辆，以JR东日本209系 为代表，

25、充分利用高强度不诱钢（SUS301)实现车体的更轻量化，其减重效果与 银合金钢毫不逊色，利于铁路提速，同时在经济性、安全性和抗腐烛性方面更具 优势。目前日本不锈钢车占总产量的50%以上，约有11000辆1】。欧洲不绣钢车辆 的发展也非常先进，法国在1937年就开始将不诱钢用于铁道车辆。瑞典高速列车 制造厂Adtranz公司与AvestaSheffield不锈钢集团合作，成功研制出最髙时速可达 210km的新式不绣钢列车。德国也在各种客车、地铁车辆部件上广泛釆用了不诱钢， 主要使用的是REMANIT4301和REMANIT4512,特别是在西伯利亚大铁路上使用 的Nirosta4003号不锈钢车

26、体，根据铁路沿线特殊的环境，综合了经济、材质等因 素，事实证明这一选择是非常正确的，此不绣钢易于加工，在低温下仍有良好的 初性，各种气候条件下都有很好的抗腐蚀性能21。其他国家，如美国、韩国、俄罗 斯和加拿大等国也对不锈钢用于铁道车辆做了比较深入的研究，虽然这些研究对 车辆提速还没有显著地进展，但是这些经验是十分宝贵的，为我们今后的研究提 够了大量的实践经验。目前，铁路客车主要有普通钢、不诱钢和锅合金3种。普通钢客车包括碳钢车 和耐候钢车。不诱钢车和锅合金车都是轻量化车体3】。在这三种材质的车体中，不 诱钢车辆在轻量化、安全性、周期寿命成本和环境适应性等方面更具优势：（1)高 防腐性、低维修成

27、本和高使用寿命。材料性能稳定，在较低或较高的温度条件下 都能保持较好的抗腐蚀性能；普通碳钢车3-5年就要维修，而不锈钢可以保证15年 内免维修，使用寿命在40年以上，而且材料容易修复，成本也较低，20年的维修 费用，仅为普通钢车的5%; (2)可实现轻量化，利于车辆提速。用不绣钢制造的车 辆车体，其重量比普通碳钢车降低40%。日本的普通钢地铁车体结构重量为10000 千克，锦合金车体结构重量为4700千克，不诱钢车体结构重量接近锦合金车，为 5000千克；（3)安全性能优良。不诱钢具有较高的机械性能和良好的抗冲击、抗疲 劳性能，能提高意外事故情况下的安全性，且高温强度高，即使在很高温度下， 仍

28、能保持很高的刚性和较好的防火安全性。其强度大约是锅合金的3倍，焰化温度 比锅合金高1倍多。（4)节能环保，制造工艺简单。不锈钢车辆质量轻，能耗较低， 而且车体报废后90%的材料还可以回收再利用；无涂装，减少了环境污染；制造工 序简单，缩短了制造工期。（5)造价低，性价比好。据统计，碳钢：不绣钢：招合 金制车辆价格比为100:108:125。但是不绣钢的维修和运营成本最低。（6)煌接性能 好，操作简单、环保。不诱钢车体煌接主要通过电阻点煌工艺完成，电阻点煌具 有低能耗、低成本、高质量、高效率且便于实现自动化，使用方便、可在大气环 境中直接进行操作等特点，煌接过程无需煌条、煌丝等，即是无耗材辉接；

29、过程 中热量消耗少，并且无烟尘等有害物质产生，也没有刺眼的光污染，是一种安全、 经济、高效、可靠、无污染的环保型傳接方法4。目前世界各国都在大力发展高速 铁路，高速列车以其高速、安全、舒适和可靠等优点己成为旅客运送的主要方式，在日本和欧洲等国，高速客运周转量已占整个铁路运转总量的近50%，现行时速在 200公里及以上的高速铁路运营里程已超过15000公里，且在逐年增加。这给轻质 经济的不诱钢车辆带来了更为广阔的发展空间。目前，不锈钢车辆己广泛用于 250km以下的铁路运营线路。1.1.2我国不诱钢轨道轻量客车的研究与应用中_城市轨道交通建设起步较晚，在2000年之前，全国仅有北京、上海、广 州

30、三个城市拥有市内轨道交通线路。进入21世纪以来，随着中国经济的飞速发展 和城市化进程的加快，城市轨道交通也进入大发展时期。截至2008年9月，中国 城市轨道交通运营里程已从1995年的43公里增加到775.6公里。全国“十一五” 期间计划建设1500公里左右城市轨道交通线路，总投资额在4000-5000亿左右。 根据国务院批准的第一批城市轨道交通项目规划，至2015年的规划线路长度是 2400公里，投资规模近7000亿。中国的城市轨道交通行业步入一个跨越式发展的 新阶段，中国已经成为世界最大的城市轨道交通市场，这也给轨道交通用不诱钢 车辆的发展提供了良好而关阔的发展空间。但是我国不诱钢客车制造

31、刚起步不久，技术尚不成熟，很多方面还需要完善。 长春轨道客车股份有限公司在1987年釆用太原钢铁公司的0Crl8Ni9材料，使用 传统的电弧煌接工艺生产了国内第一辆不诱钢车，从此开始了我国不锈钢列车的 生产与应用。1995年，长客厂与韩进公司联合开发了轻量化不锈钢车30辆，用于 我国南方衡广铁路，2002年对不锈钢车体进行了第二阶段的研制，更加透彻的消 化吸收日本在不诱钢车辆方面的经验，初步研制出了全新的点辉结构轻量化不锈 钢车体，2003年2月制造了 4辆地铁不锈钢车，用于北京13号线，其车体比碳钢 车体减重2t左右，这标志着我国已经基本掌握轻量化不诱钢车体的设计与制造工 艺。2003年7月

32、，长春轨道客车股份有限公司为天津滨海快速轨道交通发展有限 公司设计的银白色不锈钢轨道客车下线，这是我国自行研制的首例不锈钢城轨客 车，时速可达100km，标志着我国城轨车技术实现了由碳钢车体向不诱钢车体的 成功跨越。长春客车股份有限公司为北京地铁5号线研制的新型地铁客车已于2007 年年底建成通车，是国内首次采用的无涂装轻量化不诱钢车体城轨客车15。2009 年4月27日，由南车青岛四方股份制造的成都地铁1号线地铁梭工通车，最高时 速达80公里，此车同样采用无涂装轻量化的不锈钢车体，同时考虑环保和人性化 设计，车辆上装有降噪片，降低了运行时的噪音，此设备是目前国内最先进的。 2009年9月开通

33、的北京地铁4号线和预计2010年年底开通的大兴线也都釆用南车 青岛四方股份制造不诱钢列车。目前我国地铁和城铁线路上普遍使用不诱钢列车， 我国自主研发生产的不诱钢列车已经开始出口亚洲非洲等其他国家。随着我国铁路运输的发展，列车不断提速，对车辆轻量化的要求也越来越髙。 不诱钢车体轻，抗腐蚀性好、安全性高、使用寿命长、维修成本低、环境污染小 等优点，并考虑到我国在很长一段时间内仍要以200km/h左右的旅客客车为主， 所以不诱钢车辆在我国将有广阔的前景。250km/h的不诱钢列车也已进入试制阶 段，我们相信在不久的将来，不诱钢列车将逐步取代传统的碳钢车，成为我国乃 至世界高速铁路的主导力量。1.1.

34、3不锈钢车体板材的研究与发展不诱钢车辆具有轻量、安全、经济、环保等优良性能，使不诱钢车体板材的 研究引起世界各国越来越多的关注。301L冷乳奥氏体不锈钢以其良好的耐蚀性、 塑性变形能力和勧性，较低的屈强比，以及优良的高、低温机械性能成为车辆制 造业首选的结构材料。目前，发达国家如日本、德国等的铁路和城轨不锈钢车辆 普遍使用301系奥氏体不锈钢。现阶段，我国制造轨道不锈钢轻量车体的主材301L冷乳系列板主要从日本和 欧洲进口，表1-1和表1-2分别是日本和法国该系列冷乳板材的型号和性能，两种 板材的性能很相似，成分中都加入了适量的氮以提高强度，但法国板中降低了镍 的含量加入少量铜和钼，用以提高奥

35、氏体的稳定性。冷乳板材最终性能除了与成 份有关外，还取决于板材的乳制工艺、变形量和微观组织。曰本标准的SUS301L调质乳制高强度钢板根据强度分为5个等级8】，其中 LT-LowTensile用于不需要特别强度的构件或冲压加工件，如部分骨架、车门内板、 外板骨架等；DLT-Deadline Tensile用于拉深成型或冲压加工件特别是外板； ST-Speeial Tensile用于要求一定强度的构件，如车顶弯梁、拱形梁等；MT-Medium Tensile用于要求高强度的构件或压型件，如波纹板等；HT-High Tensile屈服强度 和抗拉强度均最高，用于要求高强度件，如侧梁、立柱等。而对于

36、欧洲标准的法 国板，EN1.4318-2H高强度冷乳硬化板主要用于门框、横梁、角立柱等承受高强度 载荷零部件；EN1.4318-2B热处理板主要用于侧墙、端墙板、车窗横梁等承受中等 强度载荷零部件。目前，太钢钢铁股份有限公司参照日本标准己经研制出我国自己的车辆专用 奥氏体不锈钢冷乳301L系列板材，标志着我国高氮奥氏体不锈钢冶炼技术已达到 国际先进水平。截至2008年，太钢客车用不绣钢已用于制造800余辆北京地铁客 车。但是，我国生产的不绣钢冷乳板仍存在很多问题，例如，化学成分和机械性 能不均匀，深冲压件出现破裂；材料强度指标高，成型难度大，成型质量不稳定； 辉接接头质量不稳定；板材外观存在折

37、痕，影响车体外观质量等。所以对亚稳态 奥氏体钢冷加工方面的基础理论研究非常重要。北京交通大学硕士学位论文表1-1 SUS301L系列板材的化学成分和机械性能丨6】 Table 1-1 Chemical compositions and mechanical properties of SUS301L serie Steels C% Si% Mn P% S% Ni% Cr% % N% (VMPa 0b/MPa S% 68 68 68 68 680.22200.23500.24200.24900.2700560 700 770 840 95045 40 35 25 20.0003 03 03 03

38、0.045 0.045 0.045 0.045301L-LT 301L-DLT 301L-ST 301L-MT 0 301L-HT N aM Ob 8% MPa表1-2 EN10088-1标准301L系列板材的化学成分和机械性能 Table 1-2 Chemical compositions and mechanical properties of 301L series steels in EN 10088-C% Si% Mn P% S% Ni Cr % % % 2.00 0.045 2.00 0.045 2.00 0.045EN1.4318-2BEN1.4318-2QEN1.4318-2H

39、6-8 16.5-18.5 0.1-0.2 350 700 40 6-8 16.5-18.5 0.1-0.2 420 770 35 6-8 16.5-18.5 0.1-0.2 490 840 25*2表示冷轧，H增强，B热处理+平整+酸洗，Q表面打磨1.2奥氏体不诱钢车体板材的强化机制1.2.1高氮奥氏体不绣钢的特点奥氏体不诱钢具有优异的耐腐烛性、成型性以及在很宽的温度范围内的强铺 性的优点，从开发至今一直受到金属材料界髙度的重视。在奥氏体不诱钢中，N 和C都是稳定奥氏体的元素，并能有效提高钢的冷加工性能。但是C易与不诱钢 中的Cr结合，形成一系列复杂的碳化物，在奥氏体晶界上析出，消耗了起抗腐

40、蚀 作用的Cr元素，降低不诱钢的抗晶间腐蚀性能。所以为保证不绣钢良好的抗腐蚀 性能应降低C元素的含量。奥氏体不诱钢中的N元素不与Cr元素结合析出，N元 素可以在提高钢的强度和抗氧化性的同时，不降低材料的抗晶间腐蚀性能，N元 素在钢中的溶解度小于0.15%,可以通过提高Cr和Mn的含量的方法提高N在钢 中的溶解度。以N代C的高氮奥氏体不诱钢具有很多性能方面的优势：N的固溶 强化效果比C更强，而且还能增强Hall-Peteh晶界强化效应；N是稳定奥氏体元素，抑制铁素体形成的能力为Ni的30倍，N的加入可以节省贵重金属Ni; N能 抑制或减缓变形过程中FCC面心立方晶格奥氏体相到HCP密排六方和BC

41、C体心 立方晶格马氏体相的转变，是稳定奥氏体的元素；N比C在奥氏体不诱钢中的溶 解度大，沉淀析出倾向小，保持高固溶度，而又不降低不绣钢的抗晶间腐烛性能； N还能能提高奥氏体不诱钢的抗点蚀性能；用N合金化可将传统的AISI200及 AISDOO系列钢的屈服和拉伸强度提高200%350%，而不损伤其朝性；N能提高 奥氏体不锈钢的抗疲劳和抗螺变性能9，10，11】相比一般奥氏体不绣钢，由于高氮钢具有更高的应变硬化潜力，冷变形能进 一步改善性能，使屈服强度和抗拉强度得到极大提高，并且不牺牲韧性fiG，ii】，用氮 合金化的奥氏体不锈钢强度、断裂軔性、耐磨性、磁性及耐腐蚀性等综合性能方 面的优势为其在工

42、业及工程领域的应用和发展提供了良好前景。图1-1为高氮奥氏 体钢、奥氏体钢及铁素体钢的强度和塑性对比，可见，高氮奥氏体钢具有更好的 强度和塑性匹配，在相同的延伸率条件下，高氮奥氏体钢的屈服强度最高，在满 足较高强度的同时又达到了一定朝性及塑性的匹配要求。最近几年，性能得到改 善的高氮奥氏体不诱钢发展迅速，其产量和氮合金化的程度均呈与日俱增之势9】70 60 50 40 30 20 10铁索体 奥氏体 蔣拔臾氏体 500 1000 1500 2000 2500 3000图1-1髙氮奥氏体钢及铁素体钢的性能对比 Fig. 1-1 Property comparison of High nitrog

43、en austenite and ferrite steels1.2.2亚稳态奥氏体不绣钢的强化机理金属材料的强化机理主要是固溶强化、晶界强化、加工硬化以及相变强化。 在冷变形过程中，亚稳态的奥氏体不锈钢发生应变诱发马氏体转变，奥氏体不诱 钢的强度提高、塑性降低，不诱钢强化效果明显。Ludwigson和Bergerli2】认为，C和N对301型不锈钢塑性影响很大，这些间 隙元素的加入使奥氏体产生应变a-马氏体强化相。考虑到奥氏体的应变硬化以及 马氏体的数量和强度，推导出拉伸流变应力和应变之间的关系，并认为其强度 的提高与高强度的应变诱发a-马氏体相生成量有直接关系。奥氏体和马氏体之间 界面的弹

44、性相互作用能作为有效的位错源，马氏体的形成影响位错增殖，从而对 奥氏体的加工硬化起作用。Fang和03111【13】指出，应变诱发马氏体转变与塑性变形 的均勾性和稳定性有关，应变诱发马氏体转变开始于不均匀形变阶段。Uewllyn【i4 认为，对于亚稳态奥氏体不诱钢，应变诱发马氏体在Ms和Md之间形成，进一步 降低温度，低应变时迅速形成应变诱发e-马氏体，其对流变应力的贡献比对加工 硬化率的影响更大。在奥氏体不诱钢形变过程中，发生应变诱发 马氏体转变的同时，常常伴 随着应变诱发； a马氏体转变,有时难以确定究竟是应变诱发马氏体转变 还是应变诱发? 马氏体转变影响其性能的变化。Namtain【i5

45、发现，应变诱发 ？ a转变时引入了大量位错，应变诱发a-马氏体作为滑移位错的障碍使大量位 错在奥氏体中堆积，位错密度增加，加工硬化提高。这与透射电镜观察到的应变 诱发a-马氏体的形成使位错密度增加一致。石德河和杨桂应观察到低层错能的 lCrl8Ni9ri奥氏体不诱钢形变过程中有大量的形变孪晶形成，形变孪晶在彼此相 交穿越时，或是重复以前的滑移或直接穿过孪晶形成新的形变孪晶，基体中的位 错缠结成胞状，形变量越大，形成的胞状组织越明显。总之，亚稳态奥氏体不绣钢的加工硬化是应变诱发和e马氏体转变和变形 孪晶、位错密度变化共同作用的结果。1.2.3奥氏体不绣钢的应变诱导马氏体转变从20世纪初人们便开始

46、了奥氏体不绣钢的研究，但是由于低层错能亚稳态奥 氏体不诱钢变形过程中应力应变行为具有不确定性，如成分、温度、预应变或应 变路径、晶粒尺寸、应变速率等都可以影响马氏体的转变速率和转变量，所以对 亚稳态奥氏体不诱钢的变形行为的研究至今仍然非常活跃，而且这些方面的研究 更接近实际加工过程和服役条件，具有很重要的理论意义和应用价值。当化学成分和变形温度确定后，奥氏体不绣钢的塑性应变是决定马氏体转变 的关键因素，应变速率和预应变都会影响应变诱发马氏体转变的动力学。预应变 改变了奥氏体的微观结构和能态，塑性变形亚结构和r：存在应变组织中的弹性应 变能将对后续的马氏体自发转变和应变诱发马氏体转变产生影响。预

47、变形可以增 加马氏体的形核点，也能促进应变诱发马氏体的转变。北京交通大学硕士学位论文冷轧301L板材位向对变形行为的影响.塑性变形和相变之间相互关系的是基础的研究，奥氏体不锈钢可在室温应变足够大或在低温下变形，应变诱发马氏体的产生使强度得以很大提高。亚稳态奥 氏体不锈钢是兼具应变诱发马氏体相变TRIP (Transformation Induce Plasticity)和 应变诱发机械孪晶TWIP (Twin Induce Plasticity)效应的合金，其应变诱发马氏体 相变温度Md高于室温，室温塑性加工诱发马氏体相变导致其组织和性能发生一系 列的变化【1&2。】。Urinntlora A

48、O*Temperature T(1-1)图1-2马氏体转变的能量条件与温度Pil Fig. 1-2 Free enei;gy of martensite transformation vs temperature 马氏体除了在Ms点以下的自发转变以外，也可在Ms点以上通过在奥氏体弹性 极限以下施加应力或塑性应变形成马氏体。在Ms温度以上形成的马氏体，称为应 力辅助马氏体转变和塑性变形诱发马氏体相变，这一过程的热力学原理见图1-2所 示，图中AGmin是Ms温度(austenitemartensite)相变发生的热力学条件，即相 变驱动力，而弹性应力和塑性变形为相变所提供的能量为机械驱动力即 图

49、中阴影线区域所示【21。通常化学驱动力随温度而变化，当温度为Ms点时，化学 驱动力刚好等于相变驱动力AGnir，温度低于Ms相变自发进行；当温度高于 Ms温度时，化学驱动力AGeh无法提供相变所需的全部驱动力，此时需叠加上去 部分机械驱动力AGmh才能使这一转变得以进行。在某一温度下，当其化学驱动 力AGeh与机械驱动力AGeh的总和大于等于相变驱动力AGmJ_即满足条件 22.AGch十AG_h 2AG_”也可发生马氏体转变。显然温度越高、越接近奥氏体的理论结晶温度To，化 学驱动力越小，所需的机械驱动力AG-越大。当温度高于应变诱发马氏 体生成的最高温度Md之后将不再有马氏体产生。在马氏体

50、的自发转变和应力辅助转变过程中，马氏体的形核部位都是晶体中 的自发形核点，弹性应力只是简单添加了部分相变驱动力。然而，应变诱发马氏体转变能通过塑性变形创造马氏体的形核点，显而易见的是应变诱发马氏体转 变比应力辅助马氏体形成的温度更高，需要更大的弹性应力，即塑性应变来补足 化学驱动力的不足，用以形成比现有的潜在形核点更多形核部位。奥氏体钢变形过程中的应变诱发马氏体转变动力学对描述其力学行为非常重 要。Olson和Cohen在1975年提出的应变诱发马氏体转变动力学模型是迄今为止被 引用最多的。他们的模型依据Angel对304不锈钢的研究数据，基于应变诱发马氏 体转变在剪切带交点形核，转变动力学曲

51、线呈S形，其表达式如下丨24:= 1 - exp-;l - Qxp(-a)Y(1-2)/是a-马氏体的体积分数，上述模型包含3个参数a、P和n，其中a描述 的是每单位应变量形成的剪切带，主要取决于层错能的大小。P代表a-马氏体在 剪切带交点形核的可能性，取决于?a转变的化学驱动力。a和P都是与温度相 关的参数，所以奥氏体的层错能和?转变的化学驱动力都具有温度相关性。n 是常数，代表的是奥氏体中Ullh/Y滑移开动并形成剪切带的几何参数，通 常n2,多数情况下取值4.5。Olson和Cohen用该模型的计算值与Angel实验数 据吻合很好。Remy用上述模型对Fe-Mn-C合金中的FCCHCP转

52、变进行模拟计 算也与实验数据吻合很好。Olson和Cohen在1982对于上述动力学模型进行了 修正，加进了应力对马氏体转变的影响，用以描述低温下应变诱发马氏体转变， 此前Cohen还建立了应力对马氏体转变化学驱动力作用的模型。奥氏体不诱钢的微观结构为亚稳态的奥氏体，是低层错能合金。亚稳态的奥 氏体变形会产生两种应变诱发马氏体，密排六方晶格(HCP)的e-马氏体和体心立方 (BCC)的-马氏体。影响奥氏体不绣钢应变诱发马氏体相变的主要因素是奥氏体 的稳定性和层错能（stacking fault energy SFE)。而决定奥氏体稳定性和层错能的 关键因素是合金的化学成分和变形温度。层错能定义

53、包括如下几项25】：入ACT、昨 Mh)(1.3)其中，YSF层错能，层错导致的化学自由能差，E弹性应变能，PA密 排面原子密度，o(n)单位面积的界面能，n为原子层数取2。FCC合金的层错能YSF是 化学成分和温度的函数12&28，Lecroisey和Pineau测定的304不诱钢层错能与温度的 关系29】，奥氏体不锈钢的层错能随温度降低而减小。早期的研究认为S-马氏体只是 一种过渡相，在塑性变形初期，马氏体的转变顺序是?a,母相与转变相 之间保持一定的晶体学位向关系。Mangonon和Thomas用TEM对奥氏体变形相变过 程的观察发现HCP的S马氏体可以作为FCC奥氏体与BCC的a -马

54、氏体的过渡相， 但S相不是FCCBCC转变的必要前提条件3。31】Lagneborg和Breedis也在304室 温拉伸中观察到了没有S相参与;的转变32】。奥氏体不锈钢在塑性变形过程中无论是否生成8-马氏体都与层错能相关。 Angel早在1954年就磁饱和法测出了 304不绣钢不同温度下塑性应变量与应变诱 发马氏体关系曲线，表明马氏体转变动力学是温度的函数，因e相是无磁性的，此 实验尚不能确定是否有S相产生。Remy和Pineau对Fe-Mn-Cr和Fe-Mn系奥氏体 合金的研究证明，孪晶与e相在变形组织中的出现随温度降低、层错能减小而转换； 某些化学成分和温度搭配，在奥氏体不诱钢变形过程中

55、可同时得到S-马氏体和机 械李晶33】。2006年Amar K.De.使用X射线衍射直接对比法测得304不诱钢在223K 变形时的Y、e和a随应变变化的关系34】，证明S是r 转变的过渡相。但是S 相否是;转变所必需的过渡，目前尚不清楚。1.2.4应变速率对应变诱导马氏体转变及变形行为的影响研究发现应变速率对奥氏体不锈钢的变形行为有很大的影响，对于亚稳态的 奥氏体不诱钢，在一定的温度条件下以不同的应变速率塑性变形会导致应变诱发 马氏体转变速率及转变量的不同，从而表现出不同的力学行为，屈服强度、抗拉 强度、均勾延伸率和断裂强度等机械性能指标随之发生较明显的变化，而这些变 化在工程应用中有极其重要

56、的意义。应变速率对机械性能的影响是在研究设计机 车碰撞时引起特别关注的，机车在碰撞时应变速率在lOOs-i1000 S-1之间，相对 较高的应变速率在板材成型过程中也会发生。鉴于奥氏体不绣钢的机械性能，应 变速率的重要影响是在绝热条件下研究的，这种情况下，高应变速率将降低r a 转变速率3536】。少量的a-马氏体降低了应变硬化率和强度极限，a-马氏体转变 量的改变也将改变材料的延伸率。此外，Hecker et al.和Mmr et 31.378研究发现304 钢在103s-i应变速率时，剪切带和剪切带交叉点的量将增加，在变形的初期就产生 较多的a-马氏体。然而，当应变量大于0.25后，由于热

57、效应作用，使得-马氏 体转变变得迟缓。同时，Lee和现剪切带交点的量随着应变速率的增加而 增加，当应变速率在800到4800S_i之间时，提高应变速率可以产生更多的马 氏体。与之前的研究相反】，Lee和Lin还发现在高应变速率条件下，-马氏体 不仅仅存在于集中在剪切带的交叉点上，而且也存在于单独的剪切带里，使得高 应变速率在应变初期有较高的马氏体转变速率。近几年，奥氏体不诱钢的应用潜能，如它在机车碰撞过程中能较大的吸收能 量和良好的成型性能，在研究界引起了浓厚的兴趣。在优化结构的碰揸行为时， 材料在高应变速率下的性能需要特别考虑，因为高应变速率会发生在成型过程的 某些阶段或某一部位以及车辆的碰

58、撞过程中，所以应变速率对奥氏体不绣钢应变 诱发马氏体转变和其对机械性能的影响具有十分重要的研究价值。应变速率对奥 氏体不诱钢变形机制和马氏体转变的影响，在很大程度上依赖其奥氏体层错能和 稳定性的大小，而变形温度和化学成分又是影响奥氏体稳定性和层错能最重要的 因素，同时，加工硬化条件也是重要的影响因素。1.2.5其他影响奥氏体不锈钢变形行为的因素金属的变形过程与位错增殖、结构演变以及由此引起的力学行为的研究表明， 变形流变应力与位错密度的均方根成正比，所以影响位错密度的因素也将影响奥 氏体不锈钢的变形行为，如温度，预应变、晶粒度和化学成分等。研究发现41】奥氏体不绣钢变形的温度升高，马氏体转变开

59、始的临界应变增大， 转变过程总应变增大，但最大转变量减小；马氏体转变速度在其体积分数的某一 范围内达到最大，变形温度降低出现最大转变速度的马氏体比例增大；变形温度 越高，马氏体起始转变速度越低，但终了转变速度高，转变不完全性增大。预应 变也将影响奥氏体不诱钢的塑性变形行为，预变形可以增加剪切带交点数量，利 于后续变形的马氏体形核；同时预应变中转变的马氏体要参与塑性变形，马氏体 与奥氏体两相之间力学性能不同，弹塑性变形不同步，导致材料后续变形过程中 发生相应的改变。例如，低温下对301L奥氏体不诱钢进行预变形，室温拉伸时屈 服强度升高、流变应力上升，加速颈缩，降低了均匀延伸率。而高温下的预变形

60、低温拉升时，并不降低均勻应变量，同时还能获得良好的增强效果。化学成分影 响板材的层错能和马氏体转变温度Ms,从而影响材料的马氏体转变。根据著名的 霍尔-佩奇（Hall-Petch)多晶体的屈服强度7，与晶粒平均直径(1的关系公式：(T,=(To+Kd (1-4)可见，晶粒度愈小，材料的屈服强度愈高。同时，经过塑性变形，在奥氏体 组织中产生马氏体，增加了晶粒度和晶界数量，使得位错滑移阻力变大，提高了 材料的强度和硬度。1.3选题的意义和主要研究内容随着铁路客车的快速发展和奥氏体不诱钢的应用的领域的不断扩大，对奥氏 体不绣钢强度、軔性、低磁性、耐腐蚀性和轻量化等方面提出了更为严格的要求， 这也是高

61、强度奥氏体不诱钢发展的动力。301L奥氏体冷乳板是制造轨道不诱钢轻 量化车体的主要材料，目前我国主要从日本和欧洲进口。我国大批量200km/h时 速动车组不诱钢轻量车体即将上线投入使用，对于301L奥氏体冷乳板国产化的要 求越来越强烈。但是现阶段我国的车用301L奥氏体冷乳板尚处于创立和试制阶段， 产品的平整度、精度、化学成分和机械性能的稳定性等都低于进口同类板材，尚 需进一步完善和提高。在奥氏体不诱钢列车制造过程中存在很多板材的成型问题 亟待解决，例如，不诱钢材料的强度指标高出标准很多，工件的成型难度大且成 型质量不稳定；材料的化学成分和机械性能不均匀，拉深工件成型易破裂，不锈 钢冷轧板材存

62、在折痕，影响外观质量等。为了解决这些问题，提高冲压成品率， 需要从提高材料性能和改善冲压工艺两个方面入手。通过改变板材成型速度、选 取板材成型的适合位向、调整板材型号等方法解决以上问题。本论文选取国产 301L-DLT、301L-ST、301L-MT三种强度等级依次升高的301L奥氏体冷礼板为探 究对象，进行不同速率和不同位向的塑性成形性试验研究，分析成型件的机械性 能，并用于指导实际，研究内容和结果具有重要的理论价值和实际意义。具体研究的内容如下：(1) 对301L-DLT、301L-ST、301L-MT三种不同强度等级的国产301L奥氏体冷乳板进行与轧制平行、垂直以及成45角的单轴拉伸试验

63、，研究三种板材各位向 的均勻变形行为，测定变形过程中的马氏体转变量的变化，研究301L不诱钢冷乳 板不同位向变形各阶段的机械性能，以预测成型件的性能及成型质量。(2) 对上述三种不同强度等级的301L奥氏体冷乳板进行平均应变速率为分别 为1*10_2S和的单轴拉伸试验，研究应变速率对这三种板材各位向均 勾变形行为及马氏体转变量的影响，不同位向的301L奥氏体冷轧板对应变速率的 敏感性以及应变速率对机械性能的影响，作为通过工艺手段改善板材的成型性能 的基本依据。(3) 对上述三种不同强度等级的301L奥氏体不绣钢冷乳板进行不同速率条件 下的拉深成型，测定各部位的等效应变和马氏体转变量，研究板材的

64、各向异性情 况和成型件的机械性能。13北京I通大学硕士学位论文实捕碰2实验材料及方法本论文实验工作主要包括的内容是：1) 2mm厚国产301L奥氏体不诱钢冷札板室温下以和l*l(r2S_i应变速 率不同位向的单轴拉伸；2) 国产301L奥氏体不锈钢冷乳板室温塑性成型过程中马氏体转变量的测定；3) 国产301L奥氏体不锈钢冷乳板拉深成型；4) 国产301L奥氏体不诱钢冷乳板变形的微观组织分析。3II2.1实验材料本文实验用的301L奥氏体不诱钢冷乳板是我国太原钢铁厂生产的，参照曰本 标准划分等级，其化学成分如表2-1所示。表2-1实验材料的化学成分(mass fraction %) Table 2-1 Chemical compositions of tested steels (mass fraction %)型号C%Si%Mn%P%