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。
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。然而較低的屈服強度和初始硬度,導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。本文設計出一種輕質超高錳鋼（Fe-31.6Mn-8.8A1-1.38C）,具有低密度、高屈服強度、高初始硬度、良好沖擊韌性等特點,適用于低沖擊載荷下的磨損條件。通過研究時效處理后的相轉變、壓縮變形、沖擊磨損分析了實驗鋼的強化機理和磨損機理。
實驗鋼經(jīng)1050℃保溫1.5h水韌處理后獲得單相奧氏體,65錳冷軋鋼板時效后奧氏體基體會彌散析出納米級別的κ’-碳化物,有助于屈服強度和初始硬度。在550℃時效2h綜合力學性能65錳鋼板佳,與僅水韌處理相比屈服強度提高107.4%,初始硬度提高28.7%,其抗拉強度為1041.7 MPa、屈服強度為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。隨著時效溫度升高（550℃～900℃）相轉變的順序為: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,包括晶內型: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℃時效下,納米-κ’能促進β-Mn沿晶界析出,不需要借助α相;而在700℃和800℃長時間時效下,由于α相的大量析出,其形成主要借助于γ→α反應。通過納米壓痕測試,獲得了不同時效溫度下基體與析出相的納米硬度。計算得到理論層錯能（SFE）為82.3 mJ/m2,由于平面滑移軟化效應,變形模式以位錯平面滑動為主,隨著變形量的增加,主要的亞結構演變順序為:平面位錯隊列→平面位錯配置（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,觀察到了高層錯能下被抑制的形變孿晶以及一種多晶結構。通過分析理論臨界孿生應力（σT）,當外加應力大于σT,形變孿晶出現(xiàn)。多晶結構內部以位錯纏結為主,通過波狀滑移形成了位錯胞。并提出了多效協(xié)同的強化機理:1)位錯平面滑移導致滑移帶細化和帶形成,2)形變孿晶,3)多晶結構。這些形變亞結構的出現(xiàn)共同限制了位錯運動,促進基體內位錯密度的不均勻,從而增強了應變硬化。低沖擊載荷（0.5 J）下,時效后實驗65mn錳鋼板耐磨性更好,磨損百分比更低（0.55%～0.57%）。
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隨著汽車輕量化戰(zhàn)略的實施及汽車行業(yè)需求的變化,高強度高塑性的先進高強鋼被開發(fā)及應用。65錳鋼板尤其是以中錳鋼等鋼種為代表的第三代先進高強鋼兼顧成本及性能,在低制造成本的前提下,其強塑積能達到30 GPa-%級以上。
在開發(fā)中錳鋼等第三代先進高強鋼的過程中,亞穩(wěn)奧氏體及其穩(wěn)定性被認為是影響鋼材優(yōu)異力學性能的關鍵因素;在應用中錳鋼等鋼種的過程中,亞穩(wěn)奧氏體及其穩(wěn)定性會影響回彈等成形方面的問題,因此需要深入研究。65mn錳冷軋鋼板本文以強塑積為30 GPa-%級的高強塑中錳鋼為研究對象,分析了組織中亞穩(wěn)奧氏體在不同應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),探討了彎曲變形過程亞穩(wěn)奧氏體發(fā)生的相變行為以及亞穩(wěn)奧氏體對彎曲回彈的影響, 基于奧氏體特征建立了回彈預測模型,實現(xiàn)了中錳鋼回彈行為的高精度預測。本文的主要工作和結論如下:利用高速拉伸實驗及數(shù)字圖像關聯(lián)技術（Digital image correlation,DIC）研究了不同應變速率下亞穩(wěn)奧氏體的穩(wěn)定性。
結果表明,在應變速率為10-3s-1至5×101s-1范圍內,奧氏體穩(wěn)定性隨著應變速率的增加而增加。通過EBSD和TEM觀察發(fā)現(xiàn),不同應變速率下,高強塑中錳鋼觀組織的演變規(guī)律基本保持一致,即奧氏體隨著應變量的增加逐漸發(fā)生畸變,其內部產生層錯,部分奧氏體轉變成馬氏體;鐵素體內部幾何必要位錯密度隨著應變量的增加而顯著增加,并形成高密度的小角度晶界;奧氏體晶粒內的層錯隨著應變速率的增加呈現(xiàn)逐漸稀疏的趨勢。結合熱動力學計算及觀組織分析,65mn錳冷軋鋼板在應變速率由10-3 s-1增加至5×101s-1時,奧氏體的層錯能由9.8 mJ/m2升高至18.7mJ/m2,層錯能的升高抑制了奧氏體的轉變,增加了奧氏體穩(wěn)定性;同時應變速率增加導致發(fā)生相變的臨界能量升高以及相變驅動力降低,也是奧氏體穩(wěn)定性上升的原因。通過板材成形實驗及DIC技術研究了不同變形方式下亞穩(wěn)奧氏體的穩(wěn)定性。