傳統(tǒng)高錳鋼在中低載荷工況下不具有優(yōu)勢(shì),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(duì)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。滑動(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(shì),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
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(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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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%）。
