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日益增長(zhǎng)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(jìng)爭(zhēng)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(jiǎn)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。
結(jié)果表明,65錳鋼板當(dāng)變形方式由簡(jiǎn)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?cè)僮優(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(jiǎn)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(jiǎn)單剪切變形時(shí)奧氏體的穩(wěn)定性較高。以?shī)W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(duì)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(shì)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(shì)。在相同的總變形條件下,凹?？缇嗟脑黾?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(duì)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(duì)彈性模量影響的有限元仿真模型,能夠更地預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)用中錳鋼的回彈行為,其預(yù)測(cè)的回彈角更接近實(shí)驗(yàn)測(cè)定的回彈角。
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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。
