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傳統(tǒng)高65mn錳鋼板（Hadfield鋼）在室溫下能獲得單相奧氏體,具有優(yōu)良的加工硬化能力和抗沖擊能力,因此廣泛用作沖擊載荷下的耐磨材料。然而較低的屈服強度和初始硬度,導(dǎo)致材料在低沖擊載荷下不能完全發(fā)揮其耐磨性就發(fā)生塑性變形,降低了使用壽命。本文設(shè)計出一種輕質(zhì)超高錳鋼（Fe-31.6Mn-8.8A1-1.38C）,具有低密度、高屈服強度、高初始硬度、良好沖擊韌性等特點,適用于低沖擊載荷下的磨損條件。通過研究時效處理后的相轉(zhuǎn)變、壓縮變形、沖擊磨損分析了實驗鋼的強化機理和磨損機理。
實驗鋼經(jīng)1050℃保溫1.5h水韌處理后獲得單相奧氏體,65錳冷軋鋼板時效后奧氏體基體會彌散析出納米級別的κ’-碳化物,有助于屈服強度和初始硬度。在550℃時效2h綜合力學(xué)性能65錳鋼板佳,與僅水韌處理相比屈服強度提高107.4%,初始硬度提高28.7%,其抗拉強度為1041.7 MPa、屈服強度為1002.7 MPa、斷后伸長率為17.6%、沖擊韌性（V型缺口）為62 J/cm2和硬度為268.5 HB。隨著時效溫度升高（550℃～900℃）相轉(zhuǎn)變的順序為:κ’→納米-κ’+β-Mn→亞米-κ’+β-Mn+α→納米-κ’。其中四種類型的κ相析出涉及尺寸、形貌和分布被總結(jié),包括晶內(nèi)型:納米-κ’（<50nm）,亞米-κ’（>100nm）。
晶間型:κ*（～1μm）。以及片層狀κ,存在α+κ群落中。在550℃時效下,納米-κ’能促進β-Mn沿晶界析出,不需要借助α相;而在700℃和800℃長時間時效下,由于α相的大量析出,其形成主要借助于γ→α反應(yīng)。通過納米壓痕測試,獲得了不同時效溫度下基體與析出相的納米硬度。計算得到理論層錯能（SFE）為82.3 mJ/m2,由于平面滑移軟化效應(yīng),變形模式以位錯平面滑動為主,隨著變形量的增加,主要的亞結(jié)構(gòu)演變順序為:平面位錯隊列→平面位錯配置（偶極子和Lomer-Cottrell鎖）→泰勒晶格→帶。65錳冷軋鋼板本研究利用壓縮變形,觀察到了高層錯能下被抑制的形變孿晶以及一種多晶結(jié)構(gòu)。通過分析理論臨界孿生應(yīng)力（σT）,當(dāng)外加應(yīng)力大于σT,形變孿晶出現(xiàn)。多晶結(jié)構(gòu)內(nèi)部以位錯纏結(jié)為主,通過波狀滑移形成了位錯胞。并提出了多效協(xié)同的強化機理:1)位錯平面滑移導(dǎo)致滑移帶細(xì)化和帶形成,2)形變孿晶,3)多晶結(jié)構(gòu)。這些形變亞結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)共同限制了位錯運動,促進基體內(nèi)位錯密度的不均勻,從而增強了應(yīng)變硬化。低沖擊載荷（0.5 J）下,時效后實驗65mn錳鋼板耐磨性更好,磨損百分比更低（0.55%～0.57%）。
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)濟的造價而具有廣范的應(yīng)用前景。對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熔敷金屬組織類型、機械穩(wěn)定性和凝固裂紋敏感性的影響等方面考慮,設(shè)計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等試驗方法對熔敷金屬的力學(xué)性能和觀組織進行了詳細(xì)的分析。力學(xué)性能分析結(jié)果顯示,熔敷金屬的屈服強度為323～495MPa,抗拉強度為600～732MPa,斷后伸長率為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關(guān)鍵因素,而C元素在一次奧氏體相的偏析則會致使組織發(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度為468～489MPa,抗拉強度為700～736MPa,斷后伸長率分別為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。
隨著預(yù)應(yīng)變量的增加,退火鐵素體中的位錯密度明顯65錳鋼板增加,部分穩(wěn)定性差的大尺寸RA首先發(fā)生相變而使得RA量逐漸降低,穩(wěn)定性逐漸提高;抗拉強度與屈服強度逐漸提高,而斷后伸長率則逐漸降低。熱軋退火實驗鋼具有高的氫脆敏感性,隨著預(yù)應(yīng)變量的增大,氫脆敏感性逐漸增大,以相對伸長率損失表征的氫脆敏感性指數(shù)由未變形樣的75.9%提高到15%預(yù)應(yīng)變樣的83.2%。充氫樣SSRT宏觀斷口邊部存在脆性平臺,其斷裂機制主要為準(zhǔn)解理斷裂,且有較多二次裂紋。
65mn冷軋鋼板退火實驗鋼具有超細(xì)晶等軸狀的退火鐵素體+RA復(fù)相組織,在預(yù)應(yīng)變過程中發(fā)生了TWIP效應(yīng)和TRIP效應(yīng)并出現(xiàn)不穩(wěn)定的中間相ε-馬氏體。與熱軋退火實驗鋼類似,預(yù)應(yīng)變能夠顯著地改變冷軋退火實驗鋼的力學(xué)性能。冷軋退火中錳鋼在拉伸過程中出現(xiàn)呂德斯帶以及PLC現(xiàn)象。當(dāng)預(yù)應(yīng)變量等于呂德斯帶對應(yīng)的應(yīng)變時,即預(yù)應(yīng)變量約為3%時,可以使呂德斯帶消失,但預(yù)應(yīng)變對PLC效應(yīng)則幾乎沒有影響。這主要與隨著預(yù)應(yīng)變量增加,實驗鋼中位錯密度增加、RA穩(wěn)定性提高、形變誘導(dǎo)馬氏體含量增加及形變孿晶的產(chǎn)生等因素有關(guān)。對于冷軋退火中錳鋼實驗料,隨著預(yù)應(yīng)變量的增加,充氫試樣中的可擴散氫含量顯著增加而氫擴散系數(shù)降低。與熱軋退火實驗鋼類似,冷軋退火實驗鋼同樣表現(xiàn)出顯著的氫脆敏感性,并且隨著預(yù)應(yīng)變量的增加,氫脆敏感性逐漸增大。
65錳鋼板不同預(yù)應(yīng)變量未充氫樣的SSRT斷口呈現(xiàn)典型的韌窩韌性斷裂特征,而充氫預(yù)應(yīng)變樣斷口由近表面的脆性沿晶+準(zhǔn)解理的混合斷裂向心部的韌窩韌性斷裂模式逐漸轉(zhuǎn)變。
2）選取機械性能 的兩種材料65mn錳冷軋鋼板0Si退火10min試樣、0.6Si退火30min試樣）,在1×10-4/s～1×10-1/s的應(yīng)變速率下進行實驗,機械性能和斷裂行為的研究表明:隨著應(yīng)變速率的增加,由于TRIP效應(yīng)被抑制,0Si和0.6Si的抗拉強度和延伸率均大幅度降低,且0.6Si的延伸率降低的更快,比如:0Si的延伸率由44%下降至33%,0.6Si的延伸率由55%下降至35%。隨著應(yīng)變速率的增加,0Si的斷面收縮率基本不變（約為70%）,0.6Si的斷面收縮率大約由51%增加至72%。應(yīng)變速率并未影響0Si和0.6Si的斷裂行為。然而,隨著應(yīng)變速率的降低,表面裂紋的形核數(shù)量增加,擴展速率降低;斷口的韌窩尺寸降低,二次裂紋數(shù)量和尺寸增加。
（3）選取四種材料（0Si和0.6Si均退火3min和30min試樣）,65錳鋼板系統(tǒng)的研究了成分和退火時間對氫脆性能和氫致斷裂行為的影響。關(guān)于退火時間:隨著退火時間的增加,0Si和0.6Si的氫脆敏感性均呈現(xiàn)上升趨勢,比如:當(dāng)退火3min時,0Si/0.6Si的塑性損失和強度損失分別為13.5%/46.7%和0.0%/1.7%;當(dāng)退火30min時,0Si/0.6Si的塑性損失和強度損失分別為79.2%/76.5%和26.8%/6.3%。關(guān)于成分:退火3min時,0Si的氫脆敏感性較低;退火30min時,0.6Si的氫脆敏感性較低。相比空拉斷裂行為而言,氫原子促進裂紋更容易形核與擴展,進而導(dǎo)致材料提前斷裂。對于0Si:裂紋形核與氫原子無關(guān),但是,氫致裂紋呈沿晶和穿晶擴展。對于0.6Si:裂紋形核與擴展與氫原子無關(guān),斷口則由細(xì)小的韌窩變?yōu)榇嘈詼?zhǔn)解理。
5）在不劣化市售馬氏體材料（S0）65mn錳冷軋鋼板機械性能的基礎(chǔ)上,二次回火不同時間（30min,60min,120min）,試樣分別記為 S30、S60 和 S120,發(fā)現(xiàn),二次回火工藝可以有效地提高其抗氫脆性能,如下:S0和S60的塑性損失和強度損失分別為100.0%/79.3%和35.9%/1.7%。二次回火試樣抗氫脆性能高的原因如下:1、不可逆氫陷阱MoyCx析出物的長大;2、滲碳體/基體界面的增加;滲碳體/基體應(yīng)變界面具有較高的陷阱能;3、位錯密度的降低。
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傳統(tǒng)高錳鋼在中低載荷工況下不具有優(yōu)勢,在其基礎(chǔ)上通過降低或增加碳錳元素含量研發(fā)出中錳和超65錳鋼板高錳鋼,在一定程度上彌補了其應(yīng)用中存在的不足。
本文對比研究了Mn8、Mn15及Mn18三種錳鋼的滑動和沖擊磨料磨損性能,分析了磨損機理。同時模擬礦井淋水腐蝕環(huán)境,探討了三種錳鋼的電化學(xué)腐蝕性能,論文得到以下主要結(jié)論:酸性礦井淋水腐蝕條件下,三種錳鋼表現(xiàn)出更負(fù)的腐蝕電位,酸性工況下耐腐蝕性能弱于堿性和中性腐蝕環(huán)境。酸、中、堿性礦井淋水腐蝕環(huán)境中,Mn8鋼的開路電位正（65mn錳冷軋鋼板）,極化曲線外推擬合腐蝕電壓 ,腐蝕電流小,且容抗弧半徑小,其耐腐蝕性能優(yōu)于Mn15和Mn18耐磨鋼?；瑒幽p實驗表明,三種錳鋼的摩擦系數(shù)均呈現(xiàn)先快速升高,后下降到一定的范圍趨于平穩(wěn)的變化趨勢,低載平均摩擦系數(shù)高于高載。相同磨損工況條件下,Mn8均具有 磨損失重,其抗滑動磨料磨損性能優(yōu)于Mn15和Mn18耐磨鋼。
三種耐磨鋼磨損層硬度分布均呈現(xiàn)梯度變化特征,Mn8磨損亞表層（50mm處）65錳鋼板硬度達到550HV,Mn15和Mn18分別為450HV和510HV,Mn8的加工硬化效果佳,Mn18則優(yōu)于Mn15。三種耐磨鋼干摩擦磨損機理主要表現(xiàn)為粘著磨損,伴有局部區(qū)域的疲勞剝落破壞,石英砂磨料磨損機理主要為磨粒磨損,表現(xiàn)形式為寬且深的犁溝和較大區(qū)域的疲勞剝落。沖擊磨料磨損實驗表明,隨沖擊功的增大,三種錳鋼的加工硬化能力均提高,磨損失重也明顯降低。1.5J沖擊功時,Mn18的磨損失重低于Mn8和Mn15;3.5J沖擊功時,Mn8具有 的磨損失重。Mn8和Mn18亞表層組織具有較高密度的孿晶,亞表層（50mm處）硬度分別達到50HRC和48HRC,其加工硬化效果明顯優(yōu)于Mn15,加工硬化層深度超過1.5mm。三種錳鋼磨損形式主要表現(xiàn)為鑿削磨損和不同程度疲勞剝落磨損。
65錳鋼板Mn8、Mn15磨損層亞結(jié)構(gòu)主要為位錯、孿晶及馬氏體,其耐磨強化機制為馬氏體相變復(fù)合強化機制。Mn18磨損層亞結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大量位錯、孿晶外,未發(fā)現(xiàn)馬氏體相變,但出現(xiàn)Fe-Mn-C原子團偏聚區(qū),其強化機制是通過位錯、孿晶和Fe-Mn-C原子團強化
