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(jié)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(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)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(jié)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(jié)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
隨著預應變量的增加,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,隨著預應變量的增大,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%預應變樣的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晶等軸狀的退火鐵素體+RA復相組織,在預應變過程中發(fā)生了TWIP效應和TRIP效應并出現(xiàn)不穩(wěn)定的中間相ε-馬氏體。與熱軋退火實驗鋼類似,預應變能夠顯著地改變冷軋退火實驗鋼的力學性能。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。當預應變量等于呂德斯帶對應的應變時,即預應變量約為3%時,可以使呂德斯帶消失,但預應變對PLC效應則幾乎沒有影響。這主要與隨著預應變量增加,實驗鋼中位錯密度增加、RA穩(wěn)定性提高、形變誘導馬氏體含量增加及形變孿晶的產(chǎn)生等因素有關。對于冷軋退火中錳鋼實驗料,隨著預應變量的增加,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,并且隨著預應變量的增加,氫脆敏感性逐漸增大。
65錳鋼板不同預應變量未充氫樣的SSRT斷口呈現(xiàn)典型的韌窩韌性斷裂特征,而充氫預應變樣斷口由近表面的脆性沿晶+準解理的混合斷裂向心部的韌窩韌性斷裂模式逐漸轉(zhuǎn)變。
將成形實驗數(shù)據(jù)與Keeler公式結(jié)合計算得到材料的成形極限圖,結(jié)果顯示Keeler公式計算所得成形極限圖與實測值較為接近,可用于5Mn鋼的成形極限計算。65錳冷軋鋼板此外,為了研究剪切工藝對中錳鋼力學性能的影響,本文分別采用0.03t、0.05t、0.067t、0.10t、0.12t（t為板料厚度）五種不同間隙進行沖裁,發(fā)現(xiàn)間隙為0.03t時5Mn中錳鋼邊部形貌 ,毛刺小且邊部影響區(qū)淺,力學性能也為優(yōu)異。0.12t間隙樣對應毛刺 且邊部硬化為嚴重,因此力學性能差。為進一步探究剪切工藝對5Mn鋼力學性能的影響,增加激光及線切割樣進行對比。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,對力學性能影響極小。
65mn錳冷軋鋼板·線切割對材料邊部形貌基本無影響,對應了 力學性能。后,為探究5Mn鋼的實際應用潛力,進行了汽車零件進氣端錐的試制及仿真分析。試制結(jié)果顯示,5Mn鋼可滿足零件現(xiàn)有制造工藝要求,9道工序后未出現(xiàn)開裂情況,與現(xiàn)用材料304不銹鋼持平。通過Autoform軟件進行仿真分析,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數(shù)殘余奧氏體,借助OM、SEM觀察觀組織形貌,采用TEM、EBSD、XRD等技術分析殘余奧氏體形貌65錳冷軋鋼板、分布與體積分數(shù),使用硬度計、65錳鋼板拉伸試驗機測試鋼的強韌性能,借助磨粒磨損試驗機測試鋼的抗磨損性能。研究了不同冷卻速率對相變行為的影響,淬火-配分（Q&P）工藝對組織演變、強度及磨損性能的影響。
近年來,中65錳鋼板因具有優(yōu)異的強塑積且兼顧了經(jīng)濟性與工業(yè)可行性而成為了第三代汽車用鋼中的一個研究熱點,如何進一步提高其力學性能是人們研究的重點之一。
基于此,本文在傳統(tǒng)中錳鋼研究的基礎上,設計了一種V合金化中錳鋼并對其進行了熱軋、冷軋、溫軋及隨后的兩相區(qū)退火處理,較為系統(tǒng)地研究了實驗鋼在不同軋制狀態(tài)及不同退火溫度下的觀組織和力學性能變化規(guī)律,探討了V合金化對中錳鋼強度的影響。得到的主要結(jié)果如下:本文通過研究熱軋+兩相區(qū)退火（625℃-800℃）處理的實驗鋼組織與力學性能,得出的結(jié)果表明:實驗鋼組織主要為長條狀δ-鐵素體、板條狀的α-鐵素體+殘余奧氏體（Retained austenite,RA）以及大量細小彌散的VC析出相。對于625℃和750℃的兩相區(qū)退火試樣,VC的析出強化增量分別為-347 MPa和-234 MPa;隨著退火溫度（Intercritical annealing temperature,TIA）的,65錳冷軋鋼板VC析出相尺寸增大和RA板條粗化引起了屈服強度的顯著降低。
隨著TIA的,RA含量先增加后降低,穩(wěn)定性持續(xù)降低,導致實驗鋼的強塑積先增加后降低;當TIA為725℃時,可獲得高達-50GPa·%的強塑積,并且屈服強度達到890 MPa,從而具有優(yōu)異的強塑性配合。通過研究冷軋+兩相區(qū)退火（650℃-800℃）處理的實驗鋼組織與力學性能,其結(jié)果表明:冷軋退火態(tài)實驗鋼的組織主要為長條狀δ-鐵素體、等軸狀α-鐵素體+RA以及大量細小彌散的VC析出相。65mn錳冷軋鋼板其中,當TIA較低時,組織中存在少量板條狀組織;隨著TIA升高,板條狀組織逐漸消失,等軸狀組織逐漸增多。此外,隨著TIA的升高,RA含量逐漸增加而RA穩(wěn)定性持續(xù)降低,導致實驗鋼的強塑積先增加后降低。其中,當TIA為700℃時,獲得高達-52.6GPa·%的強塑積。通過研究溫軋以及溫軋+兩相區(qū)退火（650℃-800℃）處理的實驗鋼組織與力學性能,其結(jié)果表明:溫軋原始態(tài)及溫軋+退火態(tài)實驗鋼的組織均為δ-鐵素體、板條狀與少量等軸狀共存的α-鐵素體+RA以及大量細小彌散VC析出相。當TIA為650-750℃時,其強塑積均能保持在50 GPa·%以上,這表明溫軋?zhí)幚硎箤嶒炰摼哂休^寬的熱處理工藝窗口。因此,溫軋?zhí)幚碛锌赡艹蔀橐环N簡化傳統(tǒng)中錳鋼生產(chǎn)應用的新方法。
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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(jié)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(jié)果表明,在應變速率為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(nèi)部產(chǎn)生層錯,部分奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體;鐵素體內(nèi)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(nèi)的層錯隨著應變速率的增加呈現(xiàn)逐漸稀疏的趨勢。結(jié)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(zhuǎn)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(qū)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。
