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(qiáng)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(jì)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(qiáng)度、高初始硬度、良好沖擊韌性等特點(diǎn),適用于低沖擊載荷下的磨損條件。通過(guò)研究時(shí)效處理后的相轉(zhuǎn)變、壓縮變形、沖擊磨損分析了實(shí)驗(yàn)鋼的強(qiáng)化機(jī)理和磨損機(jī)理。

  實(shí)驗(yàn)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(shí)效后奧氏體基體會(huì)彌散析出納米級(jí)別的κ’-碳化物,有助于屈服強(qiáng)度和初始硬度。在550℃時(shí)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(qiáng)度提高107.4%,初始硬度提高28.7%,其抗拉強(qiáng)度為1041.7 MPa、屈服強(qiáng)度為1002.7 MPa、斷后伸長(zhǎng)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(shí)效溫度升高（550℃～900℃）相轉(zhuǎn)變的順序?yàn)?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(shí)效下,納米-κ’能促進(jìn)β-Mn沿晶界析出,不需要借助α相;而在700℃和800℃長(zhǎng)時(shí)間時(shí)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(guò)納米壓痕測(cè)試,獲得了不同時(shí)效溫度下基體與析出相的納米硬度。計(jì)算得到理論層錯(cuò)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(cuò)平面滑動(dòng)為主,隨著變形量的增加,主要的亞結(jié)構(gòu)演變順序?yàn)?平面位錯(cuò)隊(duì)列→平面位錯(cuò)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(cuò)能下被抑制的形變孿晶以及一種多晶結(jié)構(gòu)。通過(guò)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(cuò)纏結(jié)為主,通過(guò)波狀滑移形成了位錯(cuò)胞。并提出了多效協(xié)同的強(qiáng)化機(jī)理:1)位錯(cuò)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(cuò)運(yùn)動(dòng),促進(jìn)基體內(nèi)位錯(cuò)密度的不均勻,從而增強(qiáng)了應(yīng)變硬化。低沖擊載荷（0.5 J）下,時(shí)效后實(shí)驗(yàn)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(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。

圓錐破碎機(jī)是礦山行業(yè)中的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備65錳冷軋鋼板,其工作環(huán)境復(fù)雜且工作量巨大,因此設(shè)置耐磨襯板來(lái)保護(hù)圓錐破碎機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu),作為該設(shè)備重要的消耗配件,其性能和使用壽命直接影響圓錐破碎機(jī)的工作效率和生產(chǎn)成本。目前我國(guó)破碎機(jī)襯板廣泛采用高錳鋼,其特點(diǎn)為屈服強(qiáng)度和初始硬度較低,若無(wú)法充分發(fā)揮加工硬化作用,高錳鋼的耐磨性難以滿足圓錐破碎機(jī)的使用需求?；诖?本文沿著提高強(qiáng)度和硬度、并保持一定沖擊韌性,從而提高綜合耐磨性的思路,設(shè)計(jì)了一種以貝氏體和馬氏體為主要組織的圓錐破碎機(jī)襯板用貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼。研究了貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼的相變規(guī)律,得到了 Ac1、Ac3和Ms溫度分別為762℃、843℃和281℃。

 65錳鋼板材料的淬透性良好,在40℃/s～0.05℃/s的冷速范圍內(nèi)均可發(fā)生馬氏體相變,在5℃/s～0.05℃/s的冷速范圍內(nèi)均能夠獲得一定含量的貝氏體組織。確定了貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼的 熱處理工藝為900℃×2 h空冷或爐冷+回火300℃×2h,此時(shí)的力學(xué)性能為:抗拉強(qiáng)度1478 MPa、屈服強(qiáng)度1233 MPa、硬度52.1 HRC、常溫沖擊功20.6 J。分析了熱處理工藝參數(shù)對(duì)貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼力學(xué)性能和顯組織的影響規(guī)律,結(jié)果表明:淬火保溫溫度直接影響原始奧氏體晶粒、馬氏體板條束和板條塊的尺寸,而對(duì)馬氏體板條尺寸的影響具有遲滯性。

 淬火冷卻速度影響組織中貝氏體和馬氏體的含量,在馬氏體晶界處的Mn、S、C和Si化合物降低了韌性,65mn錳冷軋鋼板在貝氏體組織中,大角度晶界和Y2O3的析出物對(duì)韌性有益。馬氏體組織具有更高密度的位錯(cuò)纏結(jié)和更精細(xì)的板條組織,因此納米硬度高于貝氏體組織。通過(guò)二體銷-盤磨損實(shí)驗(yàn)和三體沖擊磨料磨損實(shí)驗(yàn)對(duì)比了貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼和Mn13Cr2的耐磨性,結(jié)果表明:貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼的耐磨性在銷-盤磨損和1 J、2 J、4 J沖擊磨料磨損時(shí)分別比Mn13Cr2高197%和38%、99%、246%。對(duì)貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼鹽霧腐蝕后再進(jìn)行三體沖擊磨料磨損實(shí)驗(yàn),其耐磨性在鹽霧腐蝕1 h、2 h、4 h、8 h和24 h后分別降低了 10%、42%、54%、57%和 58%。提出了一種多維度磨損分析方法來(lái)闡釋貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼的耐磨機(jī)理。65錳鋼板一維磨損分析揭示了沿磨損表面法線方向,貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼的加工硬化機(jī)理為孿晶、高密度位錯(cuò)和殘余奧氏體相變,Mn13Cr2的加工硬化機(jī)理為位錯(cuò)纏結(jié)和堆垛層錯(cuò)。