Fe-Mn-C基高合金马氏体逆相变及力学行为研究
摘要
高锰奥氏体钢是一种具有优异性能的合金，其具有高抗拉强度、高加工硬化能力
和良好的塑韧性，这些优异的性能使其在汽车和工业领域有着广泛的应用前景。然而，
其低屈服强度限制了其在一些场合的使用，同时，其非热弹性马氏体逆相变的机理和
伪弹性也尚未被充分研究。本文通过选用低-中-高三种层错能的奥氏体高锰钢，系统
的探讨应力诱发非热弹性马氏体的正/逆相变位错机制及富Cu纳米相、应变速率和富
Mo纳米相对材料力学行为的影响。基于背应力理论，建立非热弹性马氏体逆相变的位
错模型，并结合材料的微观结构，分析材料的微观结构和宏观力学行为的联系，为进
一步理解高锰钢奥氏体钢的非热弹性马氏体相变机制及优化其力学行为，提供理论依
据及实验参考。
(1)通过循环加载-卸载实验和微观结构表征，定量比较不同层错能材料Fe-18Mn-
0.5C和Fe-18Mn-0.5C-3Cu两种合金在0至0.1真实应变水平内的微观结构演变和伪弹
性应变。结果表明，Fe-18Mn-0.5C合金由于能够在加载-卸载过程中发生非热弹性马氏
体的正/逆相变，从而表现出比Fe-18Mn-0.5C-3Cu合金更好的伪弹性。基于实验结果及
背应力理论，分析讨论马氏体相变/逆相变机制下，不全位错行为和力学响应的关系。
(2)基于非热弹性马氏体逆相变机制，以Fe-18Mn-0.5C-3Cu合金为研究对象，分析
富Cu纳米相的析出对合金力学行为的影响，并基于应力分配的关系，定量研究合金中
背应力及有效应力的演化规律。通过对比固溶态和时效态的宏观力学行为以及微观结
构差异，发现富Cu纳米相主要通过增强材料的背应力来增大材料的强度及伪弹性。
(3)选用更高层错能Fe-20Mn-5Mo-1C合金为研究对象，探讨应变速率及富Mo纳
米相对合金力学性能的影响。通过对比实验结果及理论分析，发现应变速率主要通过
影响位错滑移及孪生的临界剪切应力来改变材料的变形机制，从而使材料有不同的力
学行为。在低速拉伸下，材料主要以位错滑移为主导机制，在高速拉伸下，材料主要
以孪生为主导机制。另外，通过对比固溶态及时效态宏观力学行为及微观结构差异，
发现富Mo纳米相能够有效阻碍位错的滑移，增大材料的背应力，从而使材料的强度增
大。同时，富Mo纳米相也会引起应力的集中，使材料塑性大幅度下降。
关键词：Fe-Mn-C钢；非热弹性马氏体；伪弹性；力学行为；不全位错
Fe-Mn-C基高合金马氏体逆相变及力学行为研究
Abstract
Highmanganeseausteniticsteelisanalloywithexceptionalproperties,characterizedby
hightensilestrength,excellentworkhardeningability,andgoodductility.Theseoutstanding
featuresmakeitapromisingmaterialforawiderangeofapplicationsintheautomotiveand
industrialfields.However,itslowyieldstrengthlimitsitsuseinsomesituations.Inaddition,
themechanismsandpseudo-elasticityofitsnon-thermallyactivatedmartensiticreversephase
transformationhaveyettobefullyexplored.Thisstudyinvestigatesthemechanismofstress-
inducednon-thermalmartensitictransformationanditsinverseinFe-Mn-Calloyswithlow,
medium,andhighstackingfaultenergies.Theeffectsof