日益增長的節(jié)能環(huán)保要求正不斷推動著汽車輕量化進程,相較鎂鋁等輕質材料,65錳冷軋鋼板汽車用鋼面臨著全流程綠色生產(chǎn)、高強高塑及優(yōu)良成形性等多方面的挑戰(zhàn)。
以中錳鋼和淬火&配分（Q&P）鋼為典型代表的第三代先進高強鋼（AHSS）在汽車輕量化材料中具有良好的競爭力65錳鋼板。本論文主要從第三代AHSS的關鍵相——亞穩(wěn)態(tài)殘留奧氏體的設計出發(fā),結合中錳鋼的奧氏體逆轉變退火（ART）工藝及Q&P工藝,設計并制備了具有高殘留奧氏體含量的超高強含鋁中錳鋼,系統(tǒng)性探索殘留奧氏體含量、形態(tài)、尺寸及周圍基體相的分布與其相變誘導塑性（TRIP）效應的相互關系,實現(xiàn)低成本、簡工序的超高強（抗拉強度>1300MPa,強塑積>35GPa·%）含鋁中錳鋼的組織調(diào)控及強韌化機制研究。低成本無合金元素的“C-Si-Mn-Al”系成分設計及短工序低能耗的制備流程為汽車輕量化提供了優(yōu)質的選材。
采用0.3C-1.5Si-4Mn,wt.%為基本合金體系,利用梯度鋁含量（1\2\4,wt.%）調(diào)控中錳系鋼的臨界區(qū)溫度及工藝窗口,實現(xiàn)高65mn錳冷軋鋼板強度的基體組織設計,即“鐵素體+殘留奧氏體”的含鋁中錳TRIP鋼及“鐵素體+回火馬氏體+殘留奧氏體”的含鋁中錳淬火及回火配分（IQ-TP）鋼。采用掃描電鏡SEM、透射電鏡TEM、電子背散射衍射EBSD、X射線衍射儀XRD等顯組織形貌表征技術及相分析手段,結合原位變形技術系統(tǒng)性分析超高強含鋁中錳鋼的多元復合組織構成、應變協(xié)調(diào)性及強韌化機制;同時借助于電子探針EPMA分析宏觀元素偏析行為,利用Thermo calc\DICTRA熱力學動力學軟件及原子探針層析術（APT）等深層次揭示觀元素配分規(guī)律;合理調(diào)控臨界區(qū)奧氏體化溫度、加熱速率、65mn錳冷軋鋼板壓下率等工藝參數(shù),實現(xiàn)殘留奧氏體及其他基本相的 化配置,改善或中錳系鋼中的屈服平臺及PLC塑性失穩(wěn)現(xiàn)象。
較基體的硬度值有很大。測得高錳鋼基體摩擦系數(shù)在0.9左右,65錳鋼板熔覆后的FeCoNiCrMnTix涂層耐磨性有了一定程度的,且隨著Ti含量的增加,耐磨性隨之,熔覆后的FeCoNiCrMnTix涂層在Ti0.5的情況下摩擦系數(shù)和磨損量達到小值,分別為0.38和10.8mg。
經(jīng)時效處理后的FeCoNiCrMnTix涂層試樣的耐磨性整體上有了很大的,隨著Ti含量的增加,其耐磨性也成的趨勢。65mn錳冷軋鋼板其中時效處理后的FeCoNiCrMnTix涂層在Ti0.5的情況下摩擦系數(shù)和磨損量達到小值,分別為0.13和3.6mg。基體磨痕形貌為大量深且寬的滑溝,摩擦類型為磨粒磨損;熔覆后的涂層磨損形貌主要是較淺的滑溝,滑溝處有少量顆粒,且有層片狀脫落,磨損形式為粘著磨損與磨粒磨損。在時效處理后,磨損形貌有了明顯的改善,滑溝數(shù)量變少且更淺,磨粒基本消失。M13高錳鋼基體的沖擊韌性值經(jīng)實驗測得為148.33J/cm2,熔覆后的試樣沖擊韌性值在175J/cm2左右,相較于基體有所。
800°時效16小時后的試樣沖擊韌性值在155J/cm2左右,相較于時效前的試樣沖擊韌性值略下降,但經(jīng)時效后的不含Ti元素的試樣沖擊韌性值達到了182J/cm2。65錳鋼板高錳鋼基體和熔覆后的涂層斷口都含有大量韌窩,為韌性斷裂;時效處理后除Ti0.5試樣斷口含有解理和韌窩,為脆性斷裂和韌性斷裂之外,其他試樣斷口均由大量韌窩構成,為韌性斷裂。整體上FeCoNiCrMnTix較大程度上提高了M13高錳鋼的沖擊韌性。
隨著汽車輕量化戰(zhàn)略的實施及汽車行業(yè)需求的變化,高強度高塑性的先進高強鋼被開發(fā)及應用。65錳鋼板尤其是以中錳鋼等鋼種為代表的第三代先進高強鋼兼顧成本及性能,在低制造成本的前提下,其強塑積能達到30 GPa-%級以上。
在開發(fā)中錳鋼等第三代先進高強鋼的過程中,亞穩(wěn)奧氏體及其穩(wěn)定性被認為是影響鋼材優(yōu)異力學性能的關鍵因素;在應用中錳鋼等鋼種的過程中,亞穩(wěn)奧氏體及其穩(wěn)定性會影響回彈等成形方面的問題,因此需要深入研究。65mn錳冷軋鋼板本文以強塑積為30 GPa-%級的高強塑中錳鋼為研究對象,分析了組織中亞穩(wěn)奧氏體在不同應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),探討了彎曲變形過程亞穩(wěn)奧氏體發(fā)生的相變行為以及亞穩(wěn)奧氏體對彎曲回彈的影響, 基于奧氏體特征建立了回彈預測模型,實現(xiàn)了中錳鋼回彈行為的高精度預測。本文的主要工作和結論如下:利用高速拉伸實驗及數(shù)字圖像關聯(lián)技術（Digital image correlation,DIC）研究了不同應變速率下亞穩(wěn)奧氏體的穩(wěn)定性。
結果表明,在應變速率為10-3s-1至5×101s-1范圍內(nèi),奧氏體穩(wěn)定性隨著應變速率的增加而增加。通過EBSD和TEM觀察發(fā)現(xiàn),不同應變速率下,高強塑中錳鋼觀組織的演變規(guī)律基本保持一致,即奧氏體隨著應變量的增加逐漸發(fā)生畸變,其內(nèi)部產(chǎn)生層錯,部分奧氏體轉變成馬氏體;鐵素體內(nèi)部幾何必要位錯密度隨著應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)的層錯隨著應變速率的增加呈現(xiàn)逐漸稀疏的趨勢。結合熱動力學計算及觀組織分析,65mn錳冷軋鋼板在應變速率由10-3 s-1增加至5×101s-1時,奧氏體的層錯能由9.8 mJ/m2升高至18.7mJ/m2,層錯能的升高抑制了奧氏體的轉變,增加了奧氏體穩(wěn)定性;同時應變速率增加導致發(fā)生相變的臨界能量升高以及相變驅動力降低,也是奧氏體穩(wěn)定性上升的原因。通過板材成形實驗及DIC技術研究了不同變形方式下亞穩(wěn)奧氏體的穩(wěn)定性。
目前,隨著第三代汽車用現(xiàn)金高強65錳鋼板的開發(fā),越來越多的高品質中錳鋼出現(xiàn)。中錳鋼內(nèi)有大量亞穩(wěn)奧氏體組織,在變形過程中伴隨著相變的發(fā)生,能夠提高材料的強度和塑性。但目前科研人員大多聚焦在中錳鋼成分及組織調(diào)控方面,對于中錳鋼實際應用鮮有關注。本文基于原位掃描電鏡觀察,DIC光學實驗觀察,XRD檢測分析及不同應變量樣品的透射電鏡觀察分析研究了5Mn中錳鋼單軸拉伸過程中的變形機理,結合觀組織表征、力學性能測試和仿真分析,探索中錳鋼成形性能、強韌化機理及實際生產(chǎn)可行性。
5Mn中錳鋼強塑積可達到30GPa.%以上,基體為鐵素體及奧氏體組織,可能存在冷軋及熱處理引入的少量板條馬氏體,其中奧氏體分為大晶粒和小晶粒兩種類型,大晶粒奧氏體穩(wěn)定性低于小晶粒奧氏體。單軸拉伸過程中,屈服階段奧氏體向馬氏體轉變的轉變量較少,因此呂德斯應變僅為1%左右（遠低于同類中錳鋼）,屈服結束后較多大晶粒奧氏體發(fā)生相變,20%變形后大量小晶粒奧氏體發(fā)生相變。由于奧氏體晶粒較小,因此相變產(chǎn)生的可動位錯數(shù)量適中,產(chǎn)生連續(xù)傳播的A型PLC帶。部分大晶粒奧氏體在變形過程中出現(xiàn)層錯,其相變過程為奧氏體—ε馬氏體—α’-馬氏體。本文通過埃里克森杯突實驗,擴孔實驗及成形極限實驗研究了5Mn中錳鋼的成形性能。65mn錳冷軋鋼板鋼擁有良好的杯突性能,在光潔區(qū)域杯突值可達到12mm以上。實驗采用激光切割,線切割及沖孔三種預制孔加工工藝研究制孔工藝對擴孔性能的影響,結果顯示線切割制孔樣擴孔性能 ,激光切割制孔樣擴孔性能為穩(wěn)定,沖孔樣由于沖孔過程中局部材料存在相變及加工硬化,因此擴孔性能
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近年來,全國汽車總量不斷增加,導致由汽車排放產(chǎn)生的尾氣以及能源消耗等問題日益嚴重。如何提高汽車用65錳鋼板薄板鋼的強塑積,盡可能實現(xiàn)汽車輕量化的同時兼顧駕駛,實現(xiàn)節(jié)能減排、低耗等價值成為關注和研究熱點。目前,中錳鋼（錳含量一般在3～11wt%）作為第3代先進高強鋼,因其具有優(yōu)異的抗拉強度、伸長率、強塑積、耐撞性和性,所以其在汽車板的應用中具有極大發(fā)展前景。本文設計了 5Mn,5Mn-Nb-Mo和4Mn-Nb-Mo三種不同成分體系中錳鋼,主要研究了多種組織調(diào)控熱處理工藝后實驗鋼的組織演變、力學性能、加工硬化行為、強塑化機理、奧氏體穩(wěn)定性和TRIP效應。
為中錳鋼的性能優(yōu)化以及工業(yè)化應用提供實驗和理論基礎。65mn錳冷軋鋼板本文獲得主要實驗結果歸納如下:（1）5Mn實驗鋼的 奧氏體逆相變（ART）工藝參數(shù)為:625℃溫度下臨界退火4h并水冷至室溫。熱軋+ART、溫軋+ART和冷軋+ART實驗鋼均表現(xiàn)出優(yōu)異的強塑積,其中500℃溫軋+ART實驗鋼性能 ,殘余奧氏體（RA）含量達到56.8%,抗拉強度為1001MPa,伸長率為57.5%,強塑積可達57.6GPa·%。（2）淬火和回火（Q&T）工藝處理后的5Mn-Nb-Mo冷軋實驗鋼力學性能優(yōu)于熱軋實驗鋼。
65mn錳冷軋鋼板實驗鋼在625～675℃臨界退火30min水淬,隨后在200℃回火15min,獲得了優(yōu)異的綜合性能,即RA含量 可達到39%,抗拉強度為1059～1190MPa,伸長率為33～40%,強塑積為33.9～41.0GPa·%。 冷軋CR-650試樣與佳熱軋HR-650試樣相比,前者的韌窩尺寸更大更深,進而表現(xiàn)出更為優(yōu)異的伸長率。
