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二維磨損分析指出了 Mn13Cr2和貝-馬復(fù)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(yīng)變疲勞,裂紋,犁溝,嵌入磨粒和擠壓堆積是貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼的主要磨損機(jī)理;嵌入磨粒,犁溝,應(yīng)變疲勞,切削,擠壓堆積和剝落坑是Mn13Cr2的主要磨損機(jī)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(jī)理主要仍表現(xiàn)為犁溝、應(yīng)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(fù)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(fù)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(qiáng)制風(fēng)冷,310±10℃回火8h,空冷。試制襯板的組織和性能達(dá)到指標(biāo)要求,襯板整體力學(xué)性能與耐磨性均勻,工業(yè)應(yīng)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(xué)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(jì)性的要求。基于成分優(yōu)化及組織調(diào)控,中錳鋼的力學(xué)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(yīng)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(qiáng)塑積含Al中錳鋼0.25C-8.67Mn-0.54Si-2.69Al（wt%）,采用預(yù)應(yīng)變、電化學(xué)充氫、氫熱分析（TDS）、慢應(yīng)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)鋼在不同塑性變形量下的觀組織、65錳鋼板力學(xué)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)塑積高達(dá)69.1 GPa·%。
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(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(qiáng)度為468～489MPa,抗拉強(qiáng)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。
2）選取機(jī)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(jìn)行實(shí)驗(yàn),機(jī)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(qiáng)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(kuò)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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)裂紋更容易形核與擴(kuò)展,進(jìn)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(kuò)展。對于0.6Si:裂紋形核與擴(kuò)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(jī)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(qiáng)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。
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(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及PLC塑性失穩(wěn)現(xiàn)象。
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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(qiáng)度與屈服強(qiáng)度逐漸提高,而斷后伸長率則逐漸降低。熱軋退火實(shí)驗(yàn)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(jī)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)鋼類似,預(yù)應(yīng)變能夠顯著地改變冷軋退火實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)料,隨著預(yù)應(yīng)變量的增加,充氫試樣中的可擴(kuò)散氫含量顯著增加而氫擴(kuò)散系數(shù)降低。與熱軋退火實(shí)驗(yàn)鋼類似,冷軋退火實(shí)驗(yàn)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。
