隨著汽車輕量化戰(zhàn)略的實(shí)施及汽車行業(yè)需求的變化,高強(qiáng)度高塑性的先進(jìn)高強(qiáng)鋼被開(kāi)發(fā)及應(yīng)用。65錳鋼板尤其是以中錳鋼等鋼種為代表的第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼兼顧成本及性能,在低制造成本的前提下,其強(qiáng)塑積能達(dá)到30 GPa-%級(jí)以上。
在開(kāi)發(fā)中錳鋼等第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼的過(guò)程中,亞穩(wěn)奧氏體及其穩(wěn)定性被認(rèn)為是影響鋼材優(yōu)異力學(xué)性能的關(guān)鍵因素;在應(yīng)用中錳鋼等鋼種的過(guò)程中,亞穩(wěn)奧氏體及其穩(wěn)定性會(huì)影響回彈等成形方面的問(wèn)題,因此需要深入研究。65mn錳冷軋鋼板本文以強(qiáng)塑積為30 GPa-%級(jí)的高強(qiáng)塑中錳鋼為研究對(duì)象,分析了組織中亞穩(wěn)奧氏體在不同應(yīng)變速率和不同變形方式下的穩(wěn)定性;并以此為理論依據(jù),探討了彎曲變形過(guò)程亞穩(wěn)奧氏體發(fā)生的相變行為以及亞穩(wěn)奧氏體對(duì)彎曲回彈的影響, 基于奧氏體特征建立了回彈預(yù)測(cè)模型,實(shí)現(xiàn)了中錳鋼回彈行為的高精度預(yù)測(cè)。本文的主要工作和結(jié)論如下:利用高速拉伸實(shí)驗(yàn)及數(shù)字圖像關(guān)聯(lián)技術(shù)（Digital image correlation,DIC）研究了不同應(yīng)變速率下亞穩(wěn)奧氏體的穩(wěn)定性。
結(jié)果表明,在應(yīng)變速率為10-3s-1至5×101s-1范圍內(nèi),奧氏體穩(wěn)定性隨著應(yīng)變速率的增加而增加。通過(guò)EBSD和TEM觀察發(fā)現(xiàn),不同應(yīng)變速率下,高強(qiáng)塑中錳鋼觀組織的演變規(guī)律基本保持一致,即奧氏體隨著應(yīng)變量的增加逐漸發(fā)生畸變,其內(nèi)部產(chǎn)生層錯(cuò),部分奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體;鐵素體內(nèi)部幾何必要位錯(cuò)密度隨著應(yīng)變量的增加而顯著增加,并形成高密度的小角度晶界;奧氏體晶粒內(nèi)的層錯(cuò)隨著應(yīng)變速率的增加呈現(xiàn)逐漸稀疏的趨勢(shì)。結(jié)合熱動(dòng)力學(xué)計(jì)算及觀組織分析,65mn錳冷軋鋼板在應(yīng)變速率由10-3 s-1增加至5×101s-1時(shí),奧氏體的層錯(cuò)能由9.8 mJ/m2升高至18.7mJ/m2,層錯(cuò)能的升高抑制了奧氏體的轉(zhuǎn)變,增加了奧氏體穩(wěn)定性;同時(shí)應(yīng)變速率增加導(dǎo)致發(fā)生相變的臨界能量升高以及相變驅(qū)動(dòng)力降低,也是奧氏體穩(wěn)定性上升的原因。通過(guò)板材成形實(shí)驗(yàn)及DIC技術(shù)研究了不同變形方式下亞穩(wěn)奧氏體的穩(wěn)定性。
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作為新型超低溫用鋼,65錳鋼板高錳奧氏體鋼因的力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)的造價(jià)而具有廣范的應(yīng)用前景。對(duì)高錳奧氏體鋼的工程使用而言,保證焊縫金屬的力學(xué)性能同樣重要,因此,配套焊接材料的研發(fā)是關(guān)鍵。
本研究從合金元素對(duì)熔敷金屬組織類型、機(jī)械穩(wěn)定性和凝固裂紋敏感性的影響等方面考慮,設(shè)計(jì)了一種全奧氏體組織類型的高錳鋼熔敷金屬,其成分體系為C:0.2～0.5%、Mn:20.0～24.0%、Ni+Cr:4.0～8.0%,在此成分體系下熔敷金屬具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性和低凝固裂紋敏感性。根據(jù)成分體系研制了高錳鋼用實(shí)芯焊絲、金屬粉型藥芯焊絲和電焊條以及埋弧焊劑,并分別采用鎢極氬弧焊、65mn錳冷軋鋼板埋弧焊和手工電弧焊制備了高錳鋼熔敷金屬,采用常溫拉伸、-196°C沖擊和OM、EBSD、XRD等試驗(yàn)方法對(duì)熔敷金屬的力學(xué)性能和觀組織進(jìn)行了詳細(xì)的分析。力學(xué)性能分析結(jié)果顯示,熔敷金屬的屈服強(qiáng)度為323～495MPa,抗拉強(qiáng)度為600～732MPa,斷后伸長(zhǎng)率為36.0%～39.0%,-196°C平均沖擊值為41～68J。熔敷金屬觀組織分析結(jié)果顯示,組織類型為全奧氏體,呈胞狀樹(shù)枝晶結(jié)構(gòu),C、Mn、S等元素存在一定程度的顯偏析,組織中存在大量Al2O3、SiO2、MnS類型的夾雜物。
熔敷金屬良好的超低溫沖擊韌性主要緣于其全奧氏體組織類型,熔敷金屬在沖擊變形過(guò)程中發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變（γ→ε-M→α’-M）,65錳冷軋鋼板也在一定程度上提高了低溫沖擊功,熔敷金屬中直徑>0.5μm的夾雜物密度較低,是保持低溫韌性的另一個(gè)關(guān)鍵因素,而C元素在一次奧氏體相的偏析則會(huì)致使組織發(fā)生低溫脆斷。采用金屬粉型藥芯焊絲和電焊條制備了高錳低溫鋼焊接接頭,接頭中焊縫金屬的屈服強(qiáng)度為468～489MPa,抗拉強(qiáng)度為700～736MPa,斷后伸長(zhǎng)率分別為37.0%～37.5%,-196°C平均沖擊值為68～83J,焊縫金屬具有良好的力學(xué)性能,焊接材料與高錳低溫鋼匹配性較好。
汽車工業(yè)的快速發(fā)展對(duì)汽車用鋼提出了更高要求,中錳相變誘導(dǎo)塑性（TRIP）鋼作為第三代汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼,由于其的機(jī)械性能、相對(duì)低廉的成本、65錳鋼板易加工性和輕量化等優(yōu)勢(shì)成為了研究熱點(diǎn)。通過(guò)調(diào)控中錳鋼的結(jié)構(gòu)、熱處理工藝和軋制工藝,提高其綜合機(jī)械性能與服役性能,是中錳鋼實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。65mn錳冷軋鋼板本文在Fe-6Mn-0.2C-3Al中錳鋼的基礎(chǔ)上,通過(guò)添加量（0.6wt.%）Si元素（試樣分別被標(biāo)記為0Si和0.6Si）以調(diào)控其成分和結(jié)構(gòu)。材料經(jīng)65mn錳冷軋鋼板熱軋之后,系統(tǒng)的研究了臨界退火時(shí)間、應(yīng)變速率、熱處理工藝和軋制工藝等對(duì)材料的機(jī)械性能和氫脆性能的影響。
獲得以下主要結(jié)論:（1）熱軋板在740℃下臨界退火3～120min不等,退火時(shí)間對(duì)結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能和斷裂行為的研究表明:0Si的結(jié)構(gòu)為超細(xì)晶奧氏體和α-鐵素體。0.6Si的結(jié)構(gòu)中既存在超細(xì)晶奧氏體和α-鐵素體,也存在大量粗晶粒δ-鐵素體,且在退火過(guò)程中,δ-鐵素體的硬度急劇下降。短時(shí)間退火時(shí),0.6Si的機(jī)械性能稍低于0Si試樣,如下:退火3～7min時(shí),0Si和0.6Si對(duì)應(yīng)的強(qiáng)塑積分別為13.8～37.9GPa·%17.1～25.3GPa·%。長(zhǎng)時(shí)間退火時(shí),0.6Si的機(jī)械性能遠(yuǎn)高于0Si試樣,如下:退火30～60min時(shí),0Si和0.6Si對(duì)應(yīng)的強(qiáng)塑積分別為 38.6～31.8GPa·%和 58.2～55.6GPa·%。0Si的裂紋主要于γ（α’）/α界面處形核,0.6Si的裂紋主要于γ（α’）/α和（γ（α’）+α）/δ界面處形核。65mn錳冷軋鋼板當(dāng)δ-鐵素體的硬度高于奧氏體和α-鐵素體時(shí),0.6Si的裂紋優(yōu)先沿著（γ（α’）+α）/δ界面擴(kuò)展,形成平行于拉伸方向的大量裂紋,并造成斷口分層;當(dāng)δ-鐵素體的硬度遠(yuǎn)低于奧氏體和α-鐵素體時(shí),0.6Si的裂紋優(yōu)先穿過(guò)γ（α’）/α結(jié)構(gòu),形成垂直于拉伸方向的大量裂紋,當(dāng)其擴(kuò)展至較軟δ-鐵素體時(shí),發(fā)生止裂。