·704· 工程科学学报，第40卷，第6期 fected by neighboring grains and easier to achieve a complete phase transformation.However,the phase transformation of striped grains with a beneficial orientation will be constrained when the phase transformation of neighboring grains is difficult.Grains with sharp cor- ners easily undergo phase transformation because of stress concentration.If the shear stress of twinning is larger than that of slip,but the largest and second largest stresses are almost equal,both the twin systems may compete with each other and phase transformation becomes difficult.Martensitic transformation often occurs near the grain boundary where the stress concentration is severe during dy- namic compression but rarely in grains.aM has a shape of thin sheet,and its variant selection is obvious. KEY WORDS high-manganese steels;high-speed impact:TRIP behavior:quasi-in-situ analysis:finite-element simulation 高锰TRIP(transformation-induced plasticity)钢缩时，(1O0〉取向奥氏体易发生马氏体相变，高速 因为在变形过程中发生马氏体相变(y→8-M→α'- 变形下的取向依赖性与静态可能存在差别，前期研 M),产生相变诱发塑性效应，使其具有高的耐冲击 究发现高速拉伸时的取向依赖性与静态拉伸相 性和良好的成形性，从而有望成为新一代汽车 同；高速冲击时均匀形变区的取向依赖性与静态 抗高速冲击用结构件材料.汽车材料无论在前期成 压缩相同，但由于帽型样形状特殊，高速冲击时 型还是后期使用过程中都避免不了高速冲击过程， 剪切区域取向依赖性与均匀形变区会有差别. 为了安全考虑，材料需具有良好的抗冲击性能。高 本文采用准原位的方法，追踪了高速冲击前后 速冲击会引起材料局部迅速的温升、层错能提高及 剪切区域对应晶粒的变化，研究了剪切带产生前，剪 材料软化B-),从而形成绝热剪切带(adiabatic shear 切区域不同位置晶粒的应变大小、相变情况及取向 band,ASB),是材料在高速变形时一种典型的破坏 依赖性，分析了高速变形下TRP行为的影响因素， 形式-).因此，研究高锰钢高速冲击时绝热剪切带 并借助有限元模拟及受力计算做了进一步的说明. 形成与TRP行为的交互作用很有必要.常将样品 1 实验材料与方法 设定为帽型样，使剪切带的位置固定，便于研究该位 置上TRP与剪切带形成的关系.前期研究发现， 以纯铁、金属锰、结晶硅和电解铝作为原料，用 TP过程在剪切带形成之前和之时均发生，能够释 真空感应加热炉冶炼高锰TP钢，成分（质量分 放应力，缓解应力集中，使绝热剪切带扩展受阻0. 数，%)为Mn17.22,C0.022,Si2.87,Al0.48,Fe 但到目前为止，研究主要集中于大变形下，剪切带形 余量.铸锭加热至1050℃，保温1h后锻造，始锻温 成后的组织分析及取向研究1-，虽然在小变形 度为1050℃，终锻温度为700~800℃，锻后空冷， 下，观察到TP可发生在剪切带形成之前，并对高 最终锻坯尺寸为600mm×700mm×300mm.最后 速冲击下样品均匀形变区进行分析)，但都集中于 将锻后30mm厚的块状样品在1100℃保温2h后 变形终态，无法原位捕捉某一晶粒在冲击前后的相 水淬. 变情况及取向变化.TRP钢静态变形的原位研究 高速冲击时利用霍普金森杆冲击帽形样，其尺 不在少数4-，并可借助电子背散射衍射及高能X 寸如图1所示，为进行准原位观察，将此帽型样切割 射线衍射获得变形前后的组织变化及相含量差异， 处理（如图2所示），最终取厚度为5mm的中间部 但只能追踪某些微区的变形和相变过程；课题组前 令7mm 期也研究了原位静态拉伸条件下的组织变化，但 由于应变速率的影响，高速变形时TRP行为与静 态变形存在差异.Choi等n图研究发现，应变速率提 高会产生绝热温升，导致奥氏体稳定化，阻止TP 的发生；Das等9-0也有同样的发现，另外，他们在 研究304LN不锈钢在不同应变速率下压缩时发现， 与低应变速率相比，在高应变速率下，马氏体在相对 低的应变下发生，且转变终了时，产生的马氏体体积 ◆6mm 分数也较低.He等P1指出，动态拉伸下产生的形 中10mm 变局部化会阻碍残余奥氏体的进一步转变.此外， 图1帽形样结构和尺寸（红色线表示绝热剪切带的位置） 奥氏体取向对马氏体相变有显著影响网.静态拉 Fig.1 Structure and size of hat-shaped specimen (red lines show the 伸时，〈111)取向奥氏体易发生马氏体相变：静态压 position of adiabatic shear band)工程科学学报，第 40 卷，第 6 期 fected by neighboring grains and easier to achieve a complete phase transformation． However，the phase transformation of striped grains with a beneficial orientation will be constrained when the phase transformation of neighboring grains is difficult． Grains with sharp cor￾ners easily undergo phase transformation because of stress concentration． If the shear stress of twinning is larger than that of slip，but the largest and second largest stresses are almost equal，both the twin systems may compete with each other and phase transformation becomes difficult． Martensitic transformation often occurs near the grain boundary where the stress concentration is severe during dy￾namic compression but rarely in grains． α'-M has a shape of thin sheet，and its variant selection is obvious． KEY WOＲDS high-manganese steels; high-speed impact; TＲIP behavior; quasi-in-situ analysis; finite-element simulation 高锰 TＲIP( transformation-induced plasticity) 钢 因为在变形过程中发生马氏体相变( γ→ε--M→α'-- M) ，产生相变诱发塑性效应，使其具有高的耐冲击 性和良好的成形性［1--4］，从而有望成为新一代汽车 抗高速冲击用结构件材料． 汽车材料无论在前期成 型还是后期使用过程中都避免不了高速冲击过程， 为了安全考虑，材料需具有良好的抗冲击性能． 高 速冲击会引起材料局部迅速的温升、层错能提高及 材料软化［5--7］，从而形成绝热剪切带( adiabatic shear band，ASB) ，是材料在高速变形时一种典型的破坏 形式［8--9］． 因此，研究高锰钢高速冲击时绝热剪切带 形成与 TＲIP 行为的交互作用很有必要． 常将样品 设定为帽型样，使剪切带的位置固定，便于研究该位 置上 TＲIP 与剪切带形成的关系． 前期研究发现， TＲIP 过程在剪切带形成之前和之时均发生，能够释 放应力，缓解应力集中，使绝热剪切带扩展受阻［10］． 但到目前为止，研究主要集中于大变形下，剪切带形 成后的组织分析及取向研究［11--12］，虽然在小变形 下，观察到 TＲIP 可发生在剪切带形成之前，并对高 速冲击下样品均匀形变区进行分析［13］，但都集中于 变形终态，无法原位捕捉某一晶粒在冲击前后的相 变情况及取向变化． TＲIP 钢静态变形的原位研究 不在少数［14--16］，并可借助电子背散射衍射及高能 X 射线衍射获得变形前后的组织变化及相含量差异， 但只能追踪某些微区的变形和相变过程; 课题组前 期也研究了原位静态拉伸条件下的组织变化［17］，但 由于应变速率的影响，高速变形时 TＲIP 行为与静 态变形存在差异． Choi 等［18］研究发现，应变速率提 高会产生绝热温升，导致奥氏体稳定化，阻止 TＲIP 的发生; Das 等［19--20］也有同样的发现，另外，他们在 研究 304 LN 不锈钢在不同应变速率下压缩时发现， 与低应变速率相比，在高应变速率下，马氏体在相对 低的应变下发生，且转变终了时，产生的马氏体体积 分数也较低． He 等［21］指出，动态拉伸下产生的形 变局部化会阻碍残余奥氏体的进一步转变． 此外， 奥氏体取向对马氏体相变有显著影响［22］． 静态拉 伸时，〈111〉取向奥氏体易发生马氏体相变; 静态压 缩时，〈100〉取向奥氏体易发生马氏体相变［23］，高速 变形下的取向依赖性与静态可能存在差别，前期研 究发现高速拉伸时的取向依赖性与静态拉伸相 同［24］; 高速冲击时均匀形变区的取向依赖性与静态 压缩相同［13］，但由于帽型样形状特殊，高速冲击时 剪切区域取向依赖性与均匀形变区会有差别． 本文采用准原位的方法，追踪了高速冲击前后 剪切区域对应晶粒的变化，研究了剪切带产生前，剪 切区域不同位置晶粒的应变大小、相变情况及取向 依赖性，分析了高速变形下 TＲIP 行为的影响因素， 并借助有限元模拟及受力计算做了进一步的说明． 1 实验材料与方法 以纯铁、金属锰、结晶硅和电解铝作为原料，用 真空感应加热炉冶炼高锰 TＲIP 钢，成分( 质量分 数，% ) 为 Mn 17. 22，C 0. 022，Si 2. 87，Al 0. 48，Fe 余量． 铸锭加热至 1050 ℃，保温 1 h 后锻造，始锻温 度为 1050 ℃，终锻温度为 700 ～ 800 ℃，锻后空冷， 最终锻坯尺寸为 600 mm × 700 mm × 300 mm． 最后 将锻后 30 mm 厚的块状样品在 1100 ℃ 保温 2 h 后 水淬． 图 1 帽形样结构和尺寸( 红色线表示绝热剪切带的位置) Fig． 1 Structure and size of hat-shaped specimen ( red lines show the position of adiabatic shear band) 高速冲击时利用霍普金森杆冲击帽形样，其尺 寸如图 1 所示，为进行准原位观察，将此帽型样切割 处理( 如图 2 所示) ，最终取厚度为 5 mm 的中间部 · 407 ·