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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(zhì)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(jié)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(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)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(jié)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(jié)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
二維磨損分析指出了 Mn13Cr2和貝-馬復相耐磨鑄鋼的二體摩65錳冷軋鋼板擦磨損形式分別主要為黏著磨損和磨料磨損。三維磨損分析闡釋了三體沖擊磨料磨損中應變疲勞,裂紋,犁溝,嵌入磨粒和擠壓堆積是貝-馬復相耐磨鑄鋼的主要磨損機理;嵌入磨粒,犁溝,應變疲勞,切削,擠壓堆積和剝落坑是Mn13Cr2的主要磨損機理。四維磨損分析解釋了鹽霧腐蝕和沖擊磨料磨損共同作用下材料的磨損行為,低程度腐蝕試樣的磨損機理主要仍表現(xiàn)為犁溝、應變疲勞和嵌入磨粒,試樣磨損亞表層變形區(qū)較窄。此后隨鹽霧腐蝕時間的延長,犁溝變得更短而深,磨損失重增大,試樣磨損亞表層變形區(qū)消失,材料的耐磨性惡化。
65mn錳冷軋鋼板建立了理論公式用以估算貝-馬復相耐磨鑄鋼在鹽霧腐蝕和沖擊磨料磨損協(xié)同作用下的磨損失重。試制了一套貝-馬復相耐磨鑄鋼襯板,工業(yè)生產(chǎn)的熱處理參數(shù)制定為910±10℃保溫5h,強制風冷,310±10℃回火8h,空冷。試制襯板的組織和性能達到指標要求,襯板整體力學性能與耐磨性均勻,工業(yè)應用后壽命超過目前使用的國產(chǎn)襯板平均壽命50%以上。
近年來,隨著對汽車產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排及提高性提出越來越高的要求,越來越多的研究者開始研究具有優(yōu)異綜合力學性能的中錳鋼,以兼顧汽車輕量化65mn錳冷軋鋼板、碰撞性及經(jīng)濟性的要求?；诔煞謨?yōu)化及組織調(diào)控,中錳鋼的力學性能得到較大幅度,但在中錳鋼零部件冷加工成型及服役過程中面臨的塑性變形和氫脆問題,日益成為其應用和服役的一個制約性因素。對此,本文針對一種新型的高強塑積含Al中錳鋼0.25C-8.67Mn-0.54Si-2.69Al（wt%）,采用預應變、電化學充氫、氫熱分析（TDS）、慢應變速率拉伸（SSRT）、掃描電子顯鏡（SEM）、電子背散射衍射（EBSD）及透射電子顯鏡（TEM）等實驗方法,較為系統(tǒng)地研究了熱軋退火態(tài)和冷軋退火態(tài)實驗鋼在不同塑性變形量下的觀組織、65錳鋼板力學性能變化及氫脆敏感性的變化規(guī)律,可以得到以下結(jié)論:熱軋退火實驗鋼主要由片層狀的退火鐵素體+逆轉(zhuǎn)變奧氏體（RA）組成,其中RA含量約為60 vol%,強塑積高達69.1 GPa·%。
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。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,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力（σT）,當外加應力大于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)位錯平面滑移導致滑移帶細化和帶形成,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%）。
將成形實驗數(shù)據(jù)與Keeler公式結(jié)合計算得到材料的成形極限圖,結(jié)果顯示Keeler公式計算所得成形極限圖與實測值較為接近,可用于5Mn鋼的成形極限計算。65錳冷軋鋼板此外,為了研究剪切工藝對中錳鋼力學性能的影響,本文分別采用0.03t、0.05t、0.067t、0.10t、0.12t（t為板料厚度）五種不同間隙進行沖裁,發(fā)現(xiàn)間隙為0.03t時5Mn中錳鋼邊部形貌 ,毛刺小且邊部影響區(qū)淺,力學性能也為優(yōu)異。0.12t間隙樣對應毛刺 且邊部硬化為嚴重,因此力學性能差。為進一步探究剪切工藝對5Mn鋼力學性能的影響,增加激光及線切割樣進行對比。結(jié)果顯示激光切割同樣存在邊部硬化情況,但影響區(qū)很窄,對力學性能影響極小。
65mn錳冷軋鋼板·線切割對材料邊部形貌基本無影響,對應了 力學性能。后,為探究5Mn鋼的實際應用潛力,進行了汽車零件進氣端錐的試制及仿真分析。試制結(jié)果顯示,5Mn鋼可滿足零件現(xiàn)有制造工藝要求,9道工序后未出現(xiàn)開裂情況,與現(xiàn)用材料304不銹鋼持平。通過Autoform軟件進行仿真分析,結(jié)合成形極限分布分析,證明中錳鋼成形性能優(yōu)異,總體可滿足零件生產(chǎn)要求。
為了減少馬氏體中錳鋼因韌塑性能不足而產(chǎn)生的開裂和磨損失效,本文利用淬火-配分（Q&P）工藝在馬氏體中錳鋼基體中引入一定體積分數(shù)殘余奧氏體,借助OM、SEM觀察觀組織形貌,采用TEM、EBSD、XRD等技術分析殘余奧氏體形貌65錳冷軋鋼板、分布與體積分數(shù),使用硬度計、65錳鋼板拉伸試驗機測試鋼的強韌性能,借助磨粒磨損試驗機測試鋼的抗磨損性能。研究了不同冷卻速率對相變行為的影響,淬火-配分（Q&P）工藝對組織演變、強度及磨損性能的影響。
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本文意在解決高錳鋼在低應力條件下耐磨性較差的缺點,同時滿足其在高應力沖擊下保持較好的沖擊韌性,開展了高錳鋼表面等離子熔覆FeCoNiCrMnTix高熵合金涂層的探索,研究了高65錳鋼板錳鋼表面等離子熔覆FeCoNiCrMnTix高熵合金涂層后,以及對FeCoNiCrMnTix高熵合金涂層/高錳鋼基體進行時效處理后的組織與性能的演變,探明Ti元素的添加以及時效處理對于FeCoNiCrMn系高熵合金涂層組織與性能的影響,為后續(xù)在高錳鋼表面制備出能夠承受高低應沖擊高熵合金耐磨涂層提供參考。
試驗結(jié)果表明:FeCoNiCrMnTix高熵合金涂層在熔覆后表層晶粒結(jié)構(gòu)為等軸晶,同時有少量共晶組織產(chǎn)生,熔覆層中部為樹枝晶,與基體接觸的熔覆層底部為胞狀晶;在時效后熔覆層整體的等軸晶增多,相應的樹枝晶和胞狀晶有所減少。熔覆后FeCoNiCrMnTix的物相構(gòu)成比較單一穩(wěn)定,65mn冷軋鋼板當x=0的時候熔覆層的物相組成由單一的FCC相組成,主要相為Fe0.64Ni0.36,當Ti元素加入后,有BCC相Co3Ti產(chǎn)生,且新相Co3Ti的峰值也隨Ti元素的增多而提高。在時效過后熔覆層的物相組成沒有很大差別,Co3Ti析出物有了明顯的增多,峰值也有了明顯的提高。整體上各個試樣的硬度從熔覆層到熱影響區(qū)再到基體呈下降趨勢。
65mn錳冷軋鋼板熔覆后的涂層硬度由表至里變化趨勢略下降;時效處理后的涂層硬度由表至里的下降趨勢不明顯,涂層的硬度較為平均,且時效處理前后的試樣 硬度值都隨Ti含量的增多而。其中基體的硬度值在220.4HV左右,熔覆后的高熵合金涂層 硬度值為344.5HV。時效處理后FeCoNiCrMnTi0.5高熵合金涂層的 硬度值為469.7HV。
