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(jié)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。
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(jié)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(jié)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(zhuǎn)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(jié)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(zhuǎn)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(qū)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。
傳統(tǒng)高錳鋼在中低載荷工況下不具有優(yōu)勢,在其基礎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,在一定程度上彌補了其應用中存在的不足。
本文對比研究了Mn8、Mn15及Mn18三種錳鋼的滑動和沖擊磨料磨損性能,分析了磨損機理。同時模擬礦井淋水腐蝕環(huán)境,探討了三種錳鋼的電化學腐蝕性能,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。滑動磨損實驗表明,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。沖擊磨料磨損實驗表明,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,Mn18的磨損失重低于Mn8和Mn15;3.5J沖擊功時,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、孿晶及馬氏體,其耐磨強化機制為馬氏體相變復合強化機制。Mn18磨損層亞結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大量位錯、孿晶外,未發(fā)現(xiàn)馬氏體相變,但出現(xiàn)Fe-Mn-C原子團偏聚區(qū),其強化機制是通過位錯、孿晶和Fe-Mn-C原子團強化
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