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汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展對(duì)汽車(chē)用鋼提出了更高要求,中錳相變誘導(dǎo)塑性（TRIP）鋼作為第三代汽車(chē)用先進(jìn)高強(qiáng)鋼,由于其的機(jī)械性能、相對(duì)低廉的成本、65錳鋼板易加工性和輕量化等優(yōu)勢(shì)成為了研究熱點(diǎn)。通過(guò)調(diào)控中錳鋼的結(jié)構(gòu)、熱處理工藝和軋制工藝,提高其綜合機(jī)械性能與服役性能,是中錳鋼實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。65mn錳冷軋鋼板本文在Fe-6Mn-0.2C-3Al中錳鋼的基礎(chǔ)上,通過(guò)添加量（0.6wt.%）Si元素（試樣分別被標(biāo)記為0Si和0.6Si）以調(diào)控其成分和結(jié)構(gòu)。材料經(jīng)65mn錳冷軋鋼板熱軋之后,系統(tǒng)的研究了臨界退火時(shí)間、應(yīng)變速率、熱處理工藝和軋制工藝等對(duì)材料的機(jī)械性能和氫脆性能的影響。
獲得以下主要結(jié)論:（1）熱軋板在740℃下臨界退火3～120min不等,退火時(shí)間對(duì)結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能和斷裂行為的研究表明:0Si的結(jié)構(gòu)為超細(xì)晶奧氏體和α-鐵素體。0.6Si的結(jié)構(gòu)中既存在超細(xì)晶奧氏體和α-鐵素體,也存在大量粗晶粒δ-鐵素體,且在退火過(guò)程中,δ-鐵素體的硬度急劇下降。短時(shí)間退火時(shí),0.6Si的機(jī)械性能稍低于0Si試樣,如下:退火3～7min時(shí),0Si和0.6Si對(duì)應(yīng)的強(qiáng)塑積分別為13.8～37.9GPa·%17.1～25.3GPa·%。長(zhǎng)時(shí)間退火時(shí),0.6Si的機(jī)械性能遠(yuǎn)高于0Si試樣,如下:退火30～60min時(shí),0Si和0.6Si對(duì)應(yīng)的強(qiáng)塑積分別為 38.6～31.8GPa·%和 58.2～55.6GPa·%。0Si的裂紋主要于γ（α’）/α界面處形核,0.6Si的裂紋主要于γ（α’）/α和（γ（α’）+α）/δ界面處形核。65mn錳冷軋鋼板當(dāng)δ-鐵素體的硬度高于奧氏體和α-鐵素體時(shí),0.6Si的裂紋優(yōu)先沿著（γ（α’）+α）/δ界面擴(kuò)展,形成平行于拉伸方向的大量裂紋,并造成斷口分層;當(dāng)δ-鐵素體的硬度遠(yuǎn)低于奧氏體和α-鐵素體時(shí),0.6Si的裂紋優(yōu)先穿過(guò)γ（α’）/α結(jié)構(gòu),形成垂直于拉伸方向的大量裂紋,當(dāng)其擴(kuò)展至較軟δ-鐵素體時(shí),發(fā)生止裂。
隨著汽車(chē)輕量化戰(zhàn)略的實(shí)施及汽車(chē)行業(yè)需求的變化,高強(qiáng)度高塑性的先進(jìn)高強(qiáng)鋼被開(kāi)發(fā)及應(yīng)用。65錳鋼板尤其是以中錳鋼等鋼種為代表的第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼兼顧成本及性能,在低制造成本的前提下,其強(qiáng)塑積能達(dá)到30 GPa-%級(jí)以上。
在開(kāi)發(fā)中錳鋼等第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼的過(guò)程中,亞穩(wěn)奧氏體及其穩(wěn)定性被認(rèn)為是影響鋼材優(yōu)異力學(xué)性能的關(guān)鍵因素;在應(yīng)用中錳鋼等鋼種的過(guò)程中,亞穩(wěn)奧氏體及其穩(wěn)定性會(huì)影響回彈等成形方面的問(wèn)題,因此需要深入研究。65mn錳冷軋鋼板本文以強(qiáng)塑積為30 GPa-%級(jí)的高強(qiáng)塑中錳鋼為研究對(duì)象,分析了組織中亞穩(wěn)奧氏體在不同應(yīng)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(guò)程亞穩(wěn)奧氏體發(fā)生的相變行為以及亞穩(wěn)奧氏體對(duì)彎曲回彈的影響, 基于奧氏體特征建立了回彈預(yù)測(cè)模型,實(shí)現(xiàn)了中錳鋼回彈行為的高精度預(yù)測(cè)。本文的主要工作和結(jié)論如下:利用高速拉伸實(shí)驗(yàn)及數(shù)字圖像關(guān)聯(lián)技術(shù)（Digital image correlation,DIC）研究了不同應(yīng)變速率下亞穩(wěn)奧氏體的穩(wěn)定性。
結(jié)果表明,在應(yīng)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(yīng)變速率的增加而增加。通過(guò)EBSD和TEM觀察發(fā)現(xiàn),不同應(yīng)變速率下,高強(qiáng)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(yīng)變量的增加逐漸發(fā)生畸變,其內(nèi)部產(chǎn)生層錯(cuò),部分奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體;鐵素體內(nèi)部幾何必要位錯(cuò)密度隨著應(yīng)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(cuò)隨著應(yīng)變速率的增加呈現(xiàn)逐漸稀疏的趨勢(shì)。結(jié)合熱動(dòng)力學(xué)計(jì)算及觀組織分析,65mn錳冷軋鋼板在應(yīng)變速率由10-3 s-1增加至5×101s-1時(shí),奧氏體的層錯(cuò)能由9.8 mJ/m2升高至18.7mJ/m2,層錯(cuò)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(shí)應(yīng)變速率增加導(dǎo)致發(fā)生相變的臨界能量升高以及相變驅(qū)動(dòng)力降低,也是奧氏體穩(wěn)定性上升的原因。通過(guò)板材成形實(shí)驗(yàn)及DIC技術(shù)研究了不同變形方式下亞穩(wěn)奧氏體的穩(wěn)定性。
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(shí)間對(duì)氫脆性能和氫致斷裂行為的影響。關(guān)于退火時(shí)間:隨著退火時(shí)間的增加,0Si和0.6Si的氫脆敏感性均呈現(xiàn)上升趨勢(shì),比如:當(dāng)退火3min時(shí),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(shí),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(shí),0Si的氫脆敏感性較低;退火30min時(shí),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(duì)于0Si:裂紋形核與氫原子無(wú)關(guān),但是,氫致裂紋呈沿晶和穿晶擴(kuò)展。對(duì)于0.6Si:裂紋形核與擴(kuò)展與氫原子無(wú)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(shí)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(zhǎng)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(cuò)密度的降低。
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將成形實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與Keeler公式結(jié)合計(jì)算得到材料的成形極限圖,結(jié)果顯示Keeler公式計(jì)算所得成形極限圖與實(shí)測(cè)值較為接近,可用于5Mn鋼的成形極限計(jì)算。65錳冷軋鋼板此外,為了研究剪切工藝對(duì)中錳鋼力學(xué)性能的影響,本文分別采用0.03t、0.05t、0.067t、0.10t、0.12t（t為板料厚度）五種不同間隙進(jìn)行沖裁,發(fā)現(xiàn)間隙為0.03t時(shí)5Mn中錳鋼邊部形貌 ,毛刺小且邊部影響區(qū)淺,力學(xué)性能也為優(yōu)異。0.12t間隙樣對(duì)應(yīng)毛刺 且邊部硬化為嚴(yán)重,因此力學(xué)性能差。為進(jìn)一步探究剪切工藝對(duì)5Mn鋼力學(xué)性能的影響,增加激光及線(xiàn)切割樣進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示激光切割同樣存在邊部硬化情況,但影響區(qū)很窄,對(duì)力學(xué)性能影響極小。
65mn錳冷軋鋼板·線(xiàn)切割對(duì)材料邊部形貌基本無(wú)影響,對(duì)應(yīng)了 力學(xué)性能。后,為探究5Mn鋼的實(shí)際應(yīng)用潛力,進(jìn)行了汽車(chē)零件進(jìn)氣端錐的試制及仿真分析。試制結(jié)果顯示,5Mn鋼可滿(mǎn)足零件現(xiàn)有制造工藝要求,9道工序后未出現(xiàn)開(kāi)裂情況,與現(xiàn)用材料304不銹鋼持平。通過(guò)Autoform軟件進(jìn)行仿真分析,結(jié)合成形極限分布分析,證明中錳鋼成形性能優(yōu)異,總體可滿(mǎn)足零件生產(chǎn)要求。
為了減少馬氏體中錳鋼因韌塑性能不足而產(chǎn)生的開(kāi)裂和磨損失效,本文利用淬火-配分（Q&P）工藝在馬氏體中錳鋼基體中引入一定體積分?jǐn)?shù)殘余奧氏體,借助OM、SEM觀察觀組織形貌,采用TEM、EBSD、XRD等技術(shù)分析殘余奧氏體形貌65錳冷軋鋼板、分布與體積分?jǐn)?shù),使用硬度計(jì)、65錳鋼板拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)試鋼的強(qiáng)韌性能,借助磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試鋼的抗磨損性能。研究了不同冷卻速率對(duì)相變行為的影響,淬火-配分（Q&P）工藝對(duì)組織演變、強(qiáng)度及磨損性能的影響。
