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(dǎo)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(jié)構(gòu)、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(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間、應(yīng)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(jié)論:（1）熱軋板在740℃下臨界退火3～120min不等,退火時間對結(jié)構(gòu)、機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(yīng)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(yuǎn)高于0Si試樣,如下:退火30～60min時,0Si和0.6Si對應(yīng)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(dāng)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(dāng)δ-鐵素體的硬度遠(yuǎn)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(jié)構(gòu),形成垂直于拉伸方向的大量裂紋,當(dāng)其擴展至較軟δ-鐵素體時,發(fā)生止裂。
二維磨損分析指出了 Mn13Cr2和貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼的二體摩65錳冷軋鋼板擦磨損形式分別主要為黏著磨損和磨料磨損。三維磨損分析闡釋了三體沖擊磨料磨損中應(yīng)變疲勞,裂紋,犁溝,嵌入磨粒和擠壓堆積是貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼的主要磨損機理;嵌入磨粒,犁溝,應(yīng)變疲勞,切削,擠壓堆積和剝落坑是Mn13Cr2的主要磨損機理。四維磨損分析解釋了鹽霧腐蝕和沖擊磨料磨損共同作用下材料的磨損行為,低程度腐蝕試樣的磨損機理主要仍表現(xiàn)為犁溝、應(yīng)變疲勞和嵌入磨粒,試樣磨損亞表層變形區(qū)較窄。此后隨鹽霧腐蝕時間的延長,犁溝變得更短而深,磨損失重增大,試樣磨損亞表層變形區(qū)消失,材料的耐磨性惡化。
65mn錳冷軋鋼板建立了理論公式用以估算貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼在鹽霧腐蝕和沖擊磨料磨損協(xié)同作用下的磨損失重。試制了一套貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼襯板,工業(yè)生產(chǎn)的熱處理參數(shù)制定為910±10℃保溫5h,強制風(fēng)冷,310±10℃回火8h,空冷。試制襯板的組織和性能達到指標(biāo)要求,襯板整體力學(xué)性能與耐磨性均勻,工業(yè)應(yīng)用后壽命超過目前使用的國產(chǎn)襯板平均壽命50%以上。
近年來,隨著對汽車產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排及提高性提出越來越高的要求,越來越多的研究者開始研究具有優(yōu)異綜合力學(xué)性能的中錳鋼,以兼顧汽車輕量化65mn錳冷軋鋼板、碰撞性及經(jīng)濟性的要求?；诔煞謨?yōu)化及組織調(diào)控,中錳鋼的力學(xué)性能得到較大幅度,但在中錳鋼零部件冷加工成型及服役過程中面臨的塑性變形和氫脆問題,日益成為其應(yīng)用和服役的一個制約性因素。對此,本文針對一種新型的高強塑積含Al中錳鋼0.25C-8.67Mn-0.54Si-2.69Al（wt%）,采用預(yù)應(yīng)變、電化學(xué)充氫、氫熱分析（TDS）、慢應(yīng)變速率拉伸（SSRT）、掃描電子顯鏡（SEM）、電子背散射衍射（EBSD）及透射電子顯鏡（TEM）等實驗方法,較為系統(tǒng)地研究了熱軋退火態(tài)和冷軋退火態(tài)實驗鋼在不同塑性變形量下的觀組織、65錳鋼板力學(xué)性能變化及氫脆敏感性的變化規(guī)律,可以得到以下結(jié)論:熱軋退火實驗鋼主要由片層狀的退火鐵素體+逆轉(zhuǎn)變奧氏體（RA）組成,其中RA含量約為60 vol%,強塑積高達69.1 GPa·%。
日益增長的節(jié)能環(huán)保要求正不斷推動著汽車輕量化進程,相較鎂鋁等輕質(zhì)材料,65錳冷軋鋼板汽車用鋼面臨著全流程綠色生產(chǎn)、高強高塑及優(yōu)良成形性等多方面的挑戰(zhàn)。
以中錳鋼和淬火&配分（Q&P）鋼為典型代表的第三代先進高強鋼（AHSS）在汽車輕量化材料中具有良好的競爭力65錳鋼板。本論文主要從第三代AHSS的關(guān)鍵相——亞穩(wěn)態(tài)殘留奧氏體的設(shè)計出發(fā),結(jié)合中錳鋼的奧氏體逆轉(zhuǎn)變退火（ART）工藝及Q&P工藝,設(shè)計并制備了具有高殘留奧氏體含量的超高強含鋁中錳鋼,系統(tǒng)性探索殘留奧氏體含量、形態(tài)、尺寸及周圍基體相的分布與其相變誘導(dǎo)塑性（TRIP）效應(yīng)的相互關(guān)系,實現(xiàn)低成本、簡工序的超高強（抗拉強度>1300MPa,強塑積>35GPa·%）含鋁中錳鋼的組織調(diào)控及強韌化機制研究。低成本無合金元素的“C-Si-Mn-Al”系成分設(shè)計及短工序低能耗的制備流程為汽車輕量化提供了優(yōu)質(zhì)的選材。
采用0.3C-1.5Si-4Mn,wt.%為基本合金體系,利用梯度鋁含量（1\2\4,wt.%）調(diào)控中錳系鋼的臨界區(qū)溫度及工藝窗口,實現(xiàn)高65mn錳冷軋鋼板強度的基體組織設(shè)計,即“鐵素體+殘留奧氏體”的含鋁中錳TRIP鋼及“鐵素體+回火馬氏體+殘留奧氏體”的含鋁中錳淬火及回火配分（IQ-TP）鋼。采用掃描電鏡SEM、透射電鏡TEM、電子背散射衍射EBSD、X射線衍射儀XRD等顯組織形貌表征技術(shù)及相分析手段,結(jié)合原位變形技術(shù)系統(tǒng)性分析超高強含鋁中錳鋼的多元復(fù)合組織構(gòu)成、應(yīng)變協(xié)調(diào)性及強韌化機制;同時借助于電子探針EPMA分析宏觀元素偏析行為,利用Thermo calc\DICTRA熱力學(xué)動力學(xué)軟件及原子探針層析術(shù)（APT）等深層次揭示觀元素配分規(guī)律;合理調(diào)控臨界區(qū)奧氏體化溫度、加熱速率、65mn錳冷軋鋼板壓下率等工藝參數(shù),實現(xiàn)殘留奧氏體及其他基本相的 化配置,改善或中錳系鋼中的屈服平臺及PLC塑性失穩(wěn)現(xiàn)象。
相應(yīng)的研究結(jié)果分別如下:相圖計算及膨脹儀熱模擬結(jié)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(dǎo)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(yīng)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(shè)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(xì)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(xué)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(xué)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(guān)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(jié)晶行為及晶粒長大提供了充分的動力學(xué)條件。超細(xì)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(yīng)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(yīng)以及殘留奧氏體的持續(xù)性TRIP效應(yīng)。
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隨著預(yù)應(yīng)變量的增加,退火鐵素體中的位錯密度明顯65錳鋼板增加,部分穩(wěn)定性差的大尺寸RA首先發(fā)生相變而使得RA量逐漸降低,穩(wěn)定性逐漸提高;抗拉強度與屈服強度逐漸提高,而斷后伸長率則逐漸降低。熱軋退火實驗鋼具有高的氫脆敏感性,隨著預(yù)應(yīng)變量的增大,氫脆敏感性逐漸增大,以相對伸長率損失表征的氫脆敏感性指數(shù)由未變形樣的75.9%提高到15%預(yù)應(yīng)變樣的83.2%。充氫樣SSRT宏觀斷口邊部存在脆性平臺,其斷裂機制主要為準(zhǔn)解理斷裂,且有較多二次裂紋。
65mn冷軋鋼板退火實驗鋼具有超細(xì)晶等軸狀的退火鐵素體+RA復(fù)相組織,在預(yù)應(yīng)變過程中發(fā)生了TWIP效應(yīng)和TRIP效應(yīng)并出現(xiàn)不穩(wěn)定的中間相ε-馬氏體。與熱軋退火實驗鋼類似,預(yù)應(yīng)變能夠顯著地改變冷軋退火實驗鋼的力學(xué)性能。冷軋退火中錳鋼在拉伸過程中出現(xiàn)呂德斯帶以及PLC現(xiàn)象。當(dāng)預(yù)應(yīng)變量等于呂德斯帶對應(yīng)的應(yīng)變時,即預(yù)應(yīng)變量約為3%時,可以使呂德斯帶消失,但預(yù)應(yīng)變對PLC效應(yīng)則幾乎沒有影響。這主要與隨著預(yù)應(yīng)變量增加,實驗鋼中位錯密度增加、RA穩(wěn)定性提高、形變誘導(dǎo)馬氏體含量增加及形變孿晶的產(chǎn)生等因素有關(guān)。對于冷軋退火中錳鋼實驗料,隨著預(yù)應(yīng)變量的增加,充氫試樣中的可擴散氫含量顯著增加而氫擴散系數(shù)降低。與熱軋退火實驗鋼類似,冷軋退火實驗鋼同樣表現(xiàn)出顯著的氫脆敏感性,并且隨著預(yù)應(yīng)變量的增加,氫脆敏感性逐漸增大。
65錳鋼板不同預(yù)應(yīng)變量未充氫樣的SSRT斷口呈現(xiàn)典型的韌窩韌性斷裂特征,而充氫預(yù)應(yīng)變樣斷口由近表面的脆性沿晶+準(zhǔn)解理的混合斷裂向心部的韌窩韌性斷裂模式逐漸轉(zhuǎn)變。
