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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性能和經濟的造價而具有廣范的應用前景。對高錳奧氏體鋼的工程使用而言,保證焊縫金屬的力學性能同樣重要,因此,配套焊接材料的研發(fā)是關鍵。
本研究從合金元素對熔敷金屬組織類型、機械穩(wěn)定性和凝固裂紋敏感性的影響等方面考慮,設計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等試驗方法對熔敷金屬的力學性能和觀組織進行了詳細的分析。力學性能分析結果顯示,熔敷金屬的屈服強度為323～495MPa,抗拉強度為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果顯示,組織類型為全奧氏體,呈胞狀樹枝晶結構,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度為468～489MPa,抗拉強度為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性能,焊接材料與高錳低溫鋼匹配性較好。
近年來,全國汽車總量不斷增加,導致由汽車排放產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。
本文意在解決高錳鋼在低應力條件下耐磨性較差的缺點,同時滿足其在高應力沖擊下保持較好的沖擊韌性,開展了高錳鋼表面等離子熔覆FeCoNiCrMnTix高熵合金涂層的探索,研究了高65錳鋼板錳鋼表面等離子熔覆FeCoNiCrMnTix高熵合金涂層后,以及對FeCoNiCrMnTix高熵合金涂層/高錳鋼基體進行時效處理后的組織與性能的演變,探明Ti元素的添加以及時效處理對于FeCoNiCrMn系高熵合金涂層組織與性能的影響,為后續(xù)在高錳鋼表面制備出能夠承受高低應沖擊高熵合金耐磨涂層提供參考。
試驗結果表明:FeCoNiCrMnTix高熵合金涂層在熔覆后表層晶粒結構為等軸晶,同時有少量共晶組織產生,熔覆層中部為樹枝晶,與基體接觸的熔覆層底部為胞狀晶;在時效后熔覆層整體的等軸晶增多,相應的樹枝晶和胞狀晶有所減少。熔覆后FeCoNiCrMnTix的物相構成比較單一穩(wěn)定,65mn冷軋鋼板當x=0的時候熔覆層的物相組成由單一的FCC相組成,主要相為Fe0.64Ni0.36,當Ti元素加入后,有BCC相Co3Ti產生,且新相Co3Ti的峰值也隨Ti元素的增多而提高。在時效過后熔覆層的物相組成沒有很大差別,Co3Ti析出物有了明顯的增多,峰值也有了明顯的提高。整體上各個試樣的硬度從熔覆層到熱影響區(qū)再到基體呈下降趨勢。
65mn錳冷軋鋼板熔覆后的涂層硬度由表至里變化趨勢略下降;時效處理后的涂層硬度由表至里的下降趨勢不明顯,涂層的硬度較為平均,且時效處理前后的試樣 硬度值都隨Ti含量的增多而。其中基體的硬度值在220.4HV左右,熔覆后的高熵合金涂層 硬度值為344.5HV。時效處理后FeCoNiCrMnTi0.5高熵合金涂層的 硬度值為469.7HV。
結果表明,65錳鋼板當變形方式由簡單剪切變?yōu)閱蜗蚶煸僮優(yōu)槠矫鎽? 變?yōu)榈入p拉時,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,鐵素體內部幾何必要位錯密度增加。結合織構分析、Schmid因子及外力所做功的計算可知,變形方式由單向拉伸變?yōu)槠矫鎽冊僮優(yōu)榈入p拉時,奧氏體Schmid因子增加,同時機械外力所做的功上升,兩種因素共同作用導致奧氏體的穩(wěn)定性下降。而在簡單剪切變形時,奧氏體Schmid因子較高,而機械外力所做的功 ,機械外力產生的相變驅動力較小,導致簡單剪切變形時奧氏體的穩(wěn)定性較高。以奧氏體在不同應變速率和變形方式下的穩(wěn)定性為理論依據(jù),利用彎曲回彈實驗研究了成形工藝參數(shù)對中錳鋼回彈行為的影響。
結果表明,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,彎曲內層區(qū)域的變形程度較低,導致發(fā)生馬氏體相變的奧氏體體積分數(shù)減少及幾何必要位錯密度增加趨勢減弱,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數(shù)增加以及幾何必要位錯密度增加,導致加工硬化增加,從而中錳鋼的回彈角增加。當凹?？缇嘣黾訒r,彎曲內層區(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數(shù)及幾何必要位錯密度呈現(xiàn)減弱趨勢。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數(shù)和織構對中錳鋼彎曲回彈的影響。結果表明,奧氏體體積分數(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數(shù)的兩相區(qū)退火工藝使得中錳鋼具有不同的屈服強度和加工硬化。
65mn錳冷軋鋼板彈性模量、屈服強度和加工硬化的差異共同導致回彈角的變化。在不同的奧氏體織構條件下,中錳鋼的彈性模量隨著含<111>的織構組分強度的減弱而降低;同時其加工硬化能力隨著含<1-10>和<001>的織構組分強度的增強而增加。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]奧氏體體積分數(shù)和織構對彈性模量影響的有限元仿真模型,能夠更地預測實驗用中錳鋼的回彈行為,其預測的回彈角更接近實驗測定的回彈角。
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