目前,隨著第三代汽車用現(xiàn)金高強65錳鋼板的開發(fā),越來越多的高品質(zhì)中錳鋼出現(xiàn)。中錳鋼內(nèi)有大量亞穩(wěn)奧氏體組織,在變形過程中伴隨著相變的發(fā)生,能夠提高材料的強度和塑性。但目前科研人員大多聚焦在中錳鋼成分及組織調(diào)控方面,對于中錳鋼實際應用鮮有關注。本文基于原位掃描電鏡觀察,DIC光學實驗觀察,XRD檢測分析及不同應變量樣品的透射電鏡觀察分析研究了5Mn中錳鋼單軸拉伸過程中的變形機理,結合觀組織表征、力學性能測試和仿真分析,探索中錳鋼成形性能、強韌化機理及實際生產(chǎn)可行性。
5Mn中錳鋼強塑積可達到30GPa.%以上,基體為鐵素體及奧氏體組織,可能存在冷軋及熱處理引入的少量板條馬氏體,其中奧氏體分為大晶粒和小晶粒兩種類型,大晶粒奧氏體穩(wěn)定性低于小晶粒奧氏體。單軸拉伸過程中,屈服階段奧氏體向馬氏體轉變的轉變量較少,因此呂德斯應變僅為1%左右（遠低于同類中錳鋼）,屈服結束后較多大晶粒奧氏體發(fā)生相變,20%變形后大量小晶粒奧氏體發(fā)生相變。由于奧氏體晶粒較小,因此相變產(chǎn)生的可動位錯數(shù)量適中,產(chǎn)生連續(xù)傳播的A型PLC帶。部分大晶粒奧氏體在變形過程中出現(xiàn)層錯,其相變過程為奧氏體—ε馬氏體—α’-馬氏體。本文通過埃里克森杯突實驗,擴孔實驗及成形極限實驗研究了5Mn中錳鋼的成形性能。65mn錳冷軋鋼板鋼擁有良好的杯突性能,在光潔區(qū)域杯突值可達到12mm以上。實驗采用激光切割,線切割及沖孔三種預制孔加工工藝研究制孔工藝對擴孔性能的影響,結果顯示線切割制孔樣擴孔性能 ,激光切割制孔樣擴孔性能為穩(wěn)定,沖孔樣由于沖孔過程中局部材料存在相變及加工硬化,因此擴孔性能
相應的研究結果分別如下:相圖計算及膨脹儀熱模擬結果表明,65mn錳冷軋鋼板Al元素有效拓寬了臨界區(qū)溫度工藝窗口;DICTRA軟件對具有相同平衡態(tài)兩相比例臨界區(qū)奧氏體化過程的元素配分模擬顯示Al元素的添加顯著了合金元素（尤其是有利于錳鋁等置換元素）的擴散效率,有助于殘留奧氏體中碳錳元素的富集與穩(wěn)定;高鋁添加導致δ鐵素體存留至室溫,降低了含鋁中錳TRIP鋼抗拉強度的同時了PLC現(xiàn)象;原位拉伸SEM中δ鐵素體內(nèi)大量交錯的位錯滑移帶證明了其良好的應變協(xié)調(diào)性。
臨界區(qū)奧氏體化溫度通過調(diào)控臨界區(qū)奧氏體比例實現(xiàn)含鋁中錳鋼的多元強度級別設計。相較含鋁中錳TRIP鋼而言,以回火馬氏體組織為主要基體“骨架”的含鋁中錳IQ-TP鋼展現(xiàn)出更高的屈服強度;XRD和APT檢測到殘留奧氏體內(nèi)的碳錳元素富集、相界面處錳鋁元素的偏聚等現(xiàn)象證明了回火配分階段合金元素的局部平衡（LE）。65錳冷軋鋼板IQ--TP工藝下臨界區(qū)奧氏體化及回火過程兩階段的元素配分促進了殘留奧氏體碳錳元素的富集,同時回火馬氏體組織切割細化了殘留奧氏體晶粒進一步增加了其穩(wěn)定性,
65錳鋼板因而含鋁中錳IQ-TP鋼表現(xiàn)出優(yōu)異的力學性能。以4Mn1Al鋼為例,其熱軋IQ-TP鋼,抗拉強度達1425±43MPa,同時延伸率25.9±3.8%,均明顯優(yōu)于含鋁中錳TRIP鋼抗拉強度1345MPa,延伸率18.9%的 力學性能。而4Mn2Al熱軋IQ-TP鋼抗拉強度達1319±39MPa,延伸率27.4±1.1%。膨脹儀組織熱模擬及EPMA成分分析證實了含鋁中錳TRIP鋼冷軋退火組織的異常長大現(xiàn)象受控于錳鋁元素偏析下關鍵溫度區(qū)間的加熱速率。富Al貧Mn區(qū)抑制了奧氏體的形核,慢加熱速率為形變馬氏體的再結晶行為及晶粒長大提供了充分的動力學條件。超細晶冷軋含鋁中錳TRIP鋼由于其較小的位錯運動平均自由程,具有明顯的屈服平臺。異常長大的鐵素體帶提供了應變初期較高的加工硬化率,有利于縮短材料的屈服平臺延伸率。而含鋁中錳IQ-TP鋼由于馬氏體組織及幾何必要位錯的存在呈現(xiàn)出連續(xù)屈服特征。含鋁中錳IQ-TP鋼的塑性主要源于軟相板條形態(tài)鐵素體的“潤滑劑”效應以及殘留奧氏體的持續(xù)性TRIP效應。
圓錐破碎機是礦山行業(yè)中的一個關鍵設備65錳冷軋鋼板,其工作環(huán)境復雜且工作量巨大,因此設置耐磨襯板來保護圓錐破碎機的機體結構,作為該設備重要的消耗配件,其性能和使用壽命直接影響圓錐破碎機的工作效率和生產(chǎn)成本。目前我國破碎機襯板廣泛采用高錳鋼,其特點為屈服強度和初始硬度較低,若無法充分發(fā)揮加工硬化作用,高錳鋼的耐磨性難以滿足圓錐破碎機的使用需求?；诖?本文沿著提高強度和硬度、并保持一定沖擊韌性,從而提高綜合耐磨性的思路,設計了一種以貝氏體和馬氏體為主要組織的圓錐破碎機襯板用貝-馬復相耐磨鑄鋼。研究了貝-馬復相耐磨鑄鋼的相變規(guī)律,得到了 Ac1、Ac3和Ms溫度分別為762℃、843℃和281℃。
65錳鋼板材料的淬透性良好,在40℃/s～0.05℃/s的冷速范圍內(nèi)均可發(fā)生馬氏體相變,在5℃/s～0.05℃/s的冷速范圍內(nèi)均能夠獲得一定含量的貝氏體組織。確定了貝-馬復相耐磨鑄鋼的 熱處理工藝為900℃×2 h空冷或爐冷+回火300℃×2h,此時的力學性能為:抗拉強度1478 MPa、屈服強度1233 MPa、硬度52.1 HRC、常溫沖擊功20.6 J。分析了熱處理工藝參數(shù)對貝-馬復相耐磨鑄鋼力學性能和顯組織的影響規(guī)律,結果表明:淬火保溫溫度直接影響原始奧氏體晶粒、馬氏體板條束和板條塊的尺寸,而對馬氏體板條尺寸的影響具有遲滯性。
淬火冷卻速度影響組織中貝氏體和馬氏體的含量,在馬氏體晶界處的Mn、S、C和Si化合物降低了韌性,65mn錳冷軋鋼板在貝氏體組織中,大角度晶界和Y2O3的析出物對韌性有益。馬氏體組織具有更高密度的位錯纏結和更精細的板條組織,因此納米硬度高于貝氏體組織。通過二體銷-盤磨損實驗和三體沖擊磨料磨損實驗對比了貝-馬復相耐磨鑄鋼和Mn13Cr2的耐磨性,結果表明:貝-馬復相耐磨鑄鋼的耐磨性在銷-盤磨損和1 J、2 J、4 J沖擊磨料磨損時分別比Mn13Cr2高197%和38%、99%、246%。對貝-馬復相耐磨鑄鋼鹽霧腐蝕后再進行三體沖擊磨料磨損實驗,其耐磨性在鹽霧腐蝕1 h、2 h、4 h、8 h和24 h后分別降低了 10%、42%、54%、57%和 58%。提出了一種多維度磨損分析方法來闡釋貝-馬復相耐磨鑄鋼的耐磨機理。65錳鋼板一維磨損分析揭示了沿磨損表面法線方向,貝-馬復相耐磨鑄鋼的加工硬化機理為孿晶、高密度位錯和殘余奧氏體相變,Mn13Cr2的加工硬化機理為位錯纏結和堆垛層錯。
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汽車工業(yè)的快速發(fā)展對汽車用鋼提出了更高要求,中錳相變誘導塑性（TRIP）鋼作為第三代汽車用先進高強鋼,由于其的機械性能、相對低廉的成本、65錳鋼板易加工性和輕量化等優(yōu)勢成為了研究熱點。通過調(diào)控中錳鋼的結構、熱處理工藝和軋制工藝,提高其綜合機械性能與服役性能,是中錳鋼實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的重要基礎。65mn錳冷軋鋼板本文在Fe-6Mn-0.2C-3Al中錳鋼的基礎上,通過添加量（0.6wt.%）Si元素（試樣分別被標記為0Si和0.6Si）以調(diào)控其成分和結構。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間、應變速率、熱處理工藝和軋制工藝等對材料的機械性能和氫脆性能的影響。
獲得以下主要結論:（1）熱軋板在740℃下臨界退火3～120min不等,退火時間對結構、機械性能和斷裂行為的研究表明:0Si的結構為超細晶奧氏體和α-鐵素體。0.6Si的結構中既存在超細晶奧氏體和α-鐵素體,也存在大量粗晶粒δ-鐵素體,且在退火過程中,δ-鐵素體的硬度急劇下降。短時間退火時,0.6Si的機械性能稍低于0Si試樣,如下:退火3～7min時,0Si和0.6Si對應的強塑積分別為13.8～37.9GPa·%17.1～25.3GPa·%。長時間退火時,0.6Si的機械性能遠高于0Si試樣,如下:退火30～60min時,0Si和0.6Si對應的強塑積分別為 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δ-鐵素體的硬度高于奧氏體和α-鐵素體時,0.6Si的裂紋優(yōu)先沿著（γ（α’）+α）/δ界面擴展,形成平行于拉伸方向的大量裂紋,并造成斷口分層;當δ-鐵素體的硬度遠低于奧氏體和α-鐵素體時,0.6Si的裂紋優(yōu)先穿過γ（α’）/α結構,形成垂直于拉伸方向的大量裂紋,當其擴展至較軟δ-鐵素體時,發(fā)生止裂。
