日益增長的節(jié)能環(huán)保要求正不斷推動(dòng)著汽車輕量化進(jìn)程,相較鎂鋁等輕質(zhì)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(qiáng)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(jìn)高強(qiáng)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(guān)鍵相——亞穩(wěn)態(tài)殘留奧氏體的設(shè)計(jì)出發(fā),結(jié)合中錳鋼的奧氏體逆轉(zhuǎn)變退火（ART）工藝及Q&P工藝,設(shè)計(jì)并制備了具有高殘留奧氏體含量的超高強(qiáng)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(dǎo)塑性（TRIP）效應(yīng)的相互關(guān)系,實(shí)現(xiàn)低成本、簡工序的超高強(qiáng)（抗拉強(qiáng)度>1300MPa,強(qiáng)塑積>35GPa·%）含鋁中錳鋼的組織調(diào)控及強(qiáng)韌化機(jī)制研究。低成本無合金元素的“C-Si-Mn-Al”系成分設(shè)計(jì)及短工序低能耗的制備流程為汽車輕量化提供了優(yōu)質(zhì)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(shí)現(xiàn)高65mn錳冷軋鋼板強(qiáng)度的基體組織設(shè)計(jì),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(shù)及相分析手段,結(jié)合原位變形技術(shù)系統(tǒng)性分析超高強(qiáng)含鋁中錳鋼的多元復(fù)合組織構(gòu)成、應(yīng)變協(xié)調(diào)性及強(qiáng)韌化機(jī)制;同時(shí)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(xué)動(dòng)力學(xué)軟件及原子探針層析術(shù)（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(shí)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(tái)及PLC塑性失穩(wěn)現(xiàn)象。
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(bǔ)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(dòng)和沖擊磨料磨損性能,分析了磨損機(jī)理。同時(shí)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?dòng)磨損實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(dá)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(jī)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(jī)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(shí)驗(yàn)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(shí),Mn18的磨損失重低于Mn8和Mn15;3.5J沖擊功時(shí),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(dá)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(cuò)、孿晶及馬氏體,其耐磨強(qiáng)化機(jī)制為馬氏體相變復(fù)合強(qiáng)化機(jī)制。Mn18磨損層亞結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大量位錯(cuò)、孿晶外,未發(fā)現(xiàn)馬氏體相變,但出現(xiàn)Fe-Mn-C原子團(tuán)偏聚區(qū),其強(qiáng)化機(jī)制是通過位錯(cuò)、孿晶和Fe-Mn-C原子團(tuán)強(qiáng)化
汽車工業(yè)的快速發(fā)展對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、相對低廉的成本、65錳鋼板易加工性和輕量化等優(yōu)勢成為了研究熱點(diǎn)。通過調(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對應(yīng)的強(qiáng)塑積分別為13.8～37.9GPa·%17.1～25.3GPa·%。長時(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。
結(jié)果表明,65錳鋼板當(dāng)變形方式由簡單剪切變?yōu)閱蜗蚶煸僮優(yōu)槠矫鎽?yīng)變 變?yōu)榈入p拉時(shí),奧氏體的穩(wěn)定性逐漸下降。通過EBSD觀察發(fā)現(xiàn),不同變形方式下,隨著應(yīng)變量的增加,奧氏體逐漸發(fā)生畸變,部分奧氏體發(fā)生馬氏體相變,鐵素體內(nèi)部幾何必要位錯(cuò)密度增加。結(jié)合織構(gòu)分析、Schmid因子及外力所做功的計(jì)算可知,變形方式由單向拉伸變?yōu)槠矫鎽?yīng)變再變?yōu)榈入p拉時(shí),奧氏體Schmid因子增加,同時(shí)機(jī)械外力所做的功上升,兩種因素共同作用導(dǎo)致奧氏體的穩(wěn)定性下降。而在簡單剪切變形時(shí),奧氏體Schmid因子較高,而機(jī)械外力所做的功 ,機(jī)械外力產(chǎn)生的相變驅(qū)動(dòng)力較小,導(dǎo)致簡單剪切變形時(shí)奧氏體的穩(wěn)定性較高。以奧氏體在不同應(yīng)變速率和變形方式下的穩(wěn)定性為理論依據(jù),利用彎曲回彈實(shí)驗(yàn)研究了成形工藝參數(shù)對中錳鋼回彈行為的影響。
結(jié)果表明,彎曲變形后中錳鋼厚度方向上發(fā)生不均勻變形。65mn錳冷軋鋼板在增加沖壓速度的條件下,彎曲內(nèi)層區(qū)域的變形程度較低,導(dǎo)致發(fā)生馬氏體相變的奧氏體體積分?jǐn)?shù)減少及幾何必要位錯(cuò)密度增加趨勢減弱,使得加工硬化能力減弱,從而中錳鋼的回彈角降低。在增加彎曲角度的條件下,彎曲內(nèi)層區(qū)域的變形程度增加,使得發(fā)生馬氏體相變的奧氏體體積分?jǐn)?shù)增加以及幾何必要位錯(cuò)密度增加,導(dǎo)致加工硬化增加,從而中錳鋼的回彈角增加。當(dāng)凹?？缇嘣黾訒r(shí),彎曲內(nèi)層區(qū)域和外層區(qū)域的變形均降低,使得發(fā)生馬氏體相變的奧氏體體積分?jǐn)?shù)及幾何必要位錯(cuò)密度呈現(xiàn)減弱趨勢。在相同的總變形條件下,凹模跨距的增加,使得彈性變形階段所占比例增大,因而中錳鋼的回彈角增加。通過改變兩相區(qū)退火工藝和軋制方式研究了奧氏體體積分?jǐn)?shù)和織構(gòu)對中錳鋼彎曲回彈的影響。結(jié)果表明,奧氏體體積分?jǐn)?shù)的增加,使得材料的彈性模量增加;制備不同奧氏體體積分?jǐn)?shù)的兩相區(qū)退火工藝使得中錳鋼具有不同的屈服強(qiáng)度和加工硬化。
65mn錳冷軋鋼板彈性模量、屈服強(qiáng)度和加工硬化的差異共同導(dǎo)致回彈角的變化。在不同的奧氏體織構(gòu)條件下,中錳鋼的彈性模量隨著含<111>的織構(gòu)組分強(qiáng)度的減弱而降低;同時(shí)其加工硬化能力隨著含<1-10>和<001>的織構(gòu)組分強(qiáng)度的增強(qiáng)而增加。彈性模量的降低和加工硬化能力的增加是回彈角增加的主要原因?？紤]奧氏體體積分?jǐn)?shù)和織構(gòu)對彈性模量影響的有限元仿真模型,能夠更地預(yù)測實(shí)驗(yàn)用中錳鋼的回彈行為,其預(yù)測的回彈角更接近實(shí)驗(yàn)測定的回彈角。
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相應(yīng)的研究結(jié)果分別如下:相圖計(jì)算及膨脹儀熱模擬結(jié)果表明,65mn錳冷軋鋼板Al元素有效拓寬了臨界區(qū)溫度工藝窗口;DICTRA軟件對具有相同平衡態(tài)兩相比例臨界區(qū)奧氏體化過程的元素配分模擬顯示Al元素的添加顯著了合金元素（尤其是有利于錳鋁等置換元素）的擴(kuò)散效率,有助于殘留奧氏體中碳錳元素的富集與穩(wěn)定;高鋁添加導(dǎo)致δ鐵素體存留至室溫,降低了含鋁中錳TRIP鋼抗拉強(qiáng)度的同時(shí)了PLC現(xiàn)象;原位拉伸SEM中δ鐵素體內(nèi)大量交錯(cuò)的位錯(cuò)滑移帶證明了其良好的應(yīng)變協(xié)調(diào)性。
臨界區(qū)奧氏體化溫度通過調(diào)控臨界區(qū)奧氏體比例實(shí)現(xiàn)含鋁中錳鋼的多元強(qiáng)度級(jí)別設(shè)計(jì)。相較含鋁中錳TRIP鋼而言,以回火馬氏體組織為主要基體“骨架”的含鋁中錳IQ-TP鋼展現(xiàn)出更高的屈服強(qiáng)度;XRD和APT檢測到殘留奧氏體內(nèi)的碳錳元素富集、相界面處錳鋁元素的偏聚等現(xiàn)象證明了回火配分階段合金元素的局部平衡（LE）。65錳冷軋鋼板IQ--TP工藝下臨界區(qū)奧氏體化及回火過程兩階段的元素配分促進(jìn)了殘留奧氏體碳錳元素的富集,同時(shí)回火馬氏體組織切割細(xì)化了殘留奧氏體晶粒進(jìn)一步增加了其穩(wěn)定性,
65錳鋼板因而含鋁中錳IQ-TP鋼表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。以4Mn1Al鋼為例,其熱軋IQ-TP鋼,抗拉強(qiáng)度達(dá)1425±43MPa,同時(shí)延伸率25.9±3.8%,均明顯優(yōu)于含鋁中錳TRIP鋼抗拉強(qiáng)度1345MPa,延伸率18.9%的 力學(xué)性能。而4Mn2Al熱軋IQ-TP鋼抗拉強(qiáng)度達(dá)1319±39MPa,延伸率27.4±1.1%。膨脹儀組織熱模擬及EPMA成分分析證實(shí)了含鋁中錳TRIP鋼冷軋退火組織的異常長大現(xiàn)象受控于錳鋁元素偏析下關(guān)鍵溫度區(qū)間的加熱速率。富Al貧Mn區(qū)抑制了奧氏體的形核,慢加熱速率為形變馬氏體的再結(jié)晶行為及晶粒長大提供了充分的動(dòng)力學(xué)條件。超細(xì)晶冷軋含鋁中錳TRIP鋼由于其較小的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)平均自由程,具有明顯的屈服平臺(tái)。異常長大的鐵素體帶提供了應(yīng)變初期較高的加工硬化率,有利于縮短材料的屈服平臺(tái)延伸率。而含鋁中錳IQ-TP鋼由于馬氏體組織及幾何必要位錯(cuò)的存在呈現(xiàn)出連續(xù)屈服特征。含鋁中錳IQ-TP鋼的塑性主要源于軟相板條形態(tài)鐵素體的“潤滑劑”效應(yīng)以及殘留奧氏體的持續(xù)性TRIP效應(yīng)。
