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传统高锰钢在中低载荷工况下不具有优势,在其基础上通过降低或增加碳锰元素含量研发出中锰和超65锰钢板高锰钢,在一定程度上弥补了其应用中存在的不足。
本文对比研究了Mn8、Mn15及Mn18三种锰钢的滑动和冲击磨料磨损性能,分析了磨损机理。同时模拟矿井淋水腐蚀环境,探讨了三种锰钢的电化学腐蚀性能,论文得到以下主要结论:酸性矿井淋水腐蚀条件下,三种锰钢表现出更负的腐蚀电位,酸性工况下耐腐蚀性能弱于碱性和中性腐蚀环境。酸、中、碱性矿井淋水腐蚀环境中,Mn8钢的开路电位最正（65mn锰冷轧钢板）,极化曲线外推拟合腐蚀电压 ,腐蚀电流最小,且容抗弧半径最小,其耐腐蚀性能优于Mn15和Mn18耐磨钢。滑动磨损实验表明,三种锰钢的摩擦系数均呈现先快速升高,后下降到一定的范围趋于平稳的变化趋势,低载平均摩擦系数高于高载。相同磨损工况条件下,Mn8均具有 磨损失重,其抗滑动磨料磨损性能优于Mn15和Mn18耐磨钢。
三种耐磨钢磨损层硬度分布均呈现梯度变化特征,Mn8磨损亚表层（50mm处）65锰钢板硬度达到550HV,Mn15和Mn18分别为450HV和510HV,Mn8的加工硬化效果佳,Mn18则优于Mn15。三种耐磨钢干摩擦磨损机理主要表现为粘着磨损,伴有局部区域的疲劳剥落破坏,石英砂磨料磨损机理主要为磨粒磨损,表现形式为宽且深的犁沟和较大区域的疲劳剥落。冲击磨料磨损实验表明,随冲击功的增大,三种锰钢的加工硬化能力均提高,磨损失重也明显降低。1.5J冲击功时,Mn18的磨损失重低于Mn8和Mn15;3.5J冲击功时,Mn8具有 的磨损失重。Mn8和Mn18亚表层组织具有较高密度的孪晶,亚表层（50mm处）硬度分别达到50HRC和48HRC,其加工硬化效果明显优于Mn15,加工硬化层深度超过1.5mm。三种锰钢磨损形式主要表现为凿削磨损和不同程度疲劳剥落磨损。
65锰钢板Mn8、Mn15磨损层亚结构主要为位错、孪晶及马氏体,其耐磨强化机制为马氏体相变复合强化机制。Mn18磨损层亚结构出现大量位错、孪晶外,未发现马氏体相变,但出现Fe-Mn-C原子团偏聚区,其强化机制是通过位错、孪晶和Fe-Mn-C原子团强化
随着汽车轻量化战略的实施及汽车行业需求的变化,高强度高塑性的先进高强钢被开发及应用。65锰钢板尤其是以中锰钢等钢种为代表的第三代先进高强钢兼顾成本及性能,在低制造成本的前提下,其强塑积能达到30 GPa-%级以上。
在开发中锰钢等第三代先进高强钢的过程中,亚稳奥氏体及其稳定性被认为是影响钢材优异力学性能的关键因素;在应用中锰钢等钢种的过程中,亚稳奥氏体及其稳定性会影响回弹等成形方面的问题,因此需要深入研究。65mn锰冷轧钢板本文以强塑积为30 GPa-%级的高强塑中锰钢为研究对象,分析了组织中亚稳奥氏体在不同应变速率和不同变形方式下的稳定性;并以此为理论依据,探讨了弯曲变形过程亚稳奥氏体发生的相变行为以及亚稳奥氏体对弯曲回弹的影响, 基于奥氏体特征建立了回弹预测模型,实现了中锰钢回弹行为的高精度预测。本文的主要工作和结论如下:利用高速拉伸实验及数字图像关联技术（Digital image correlation,DIC）研究了不同应变速率下亚稳奥氏体的稳定性。
结果表明,在应变速率为10-3s-1至5×101s-1范围内,奥氏体稳定性随着应变速率的增加而增加。通过EBSD和TEM观察发现,不同应变速率下,高强塑中锰钢观组织的演变规律基本保持一致,即奥氏体随着应变量的增加逐渐发生畸变,其内部产生层错,部分奥氏体转变成马氏体;铁素体内部几何必要位错密度随着应变量的增加而显著增加,并形成高密度的小角度晶界;奥氏体晶粒内的层错随着应变速率的增加呈现逐渐稀疏的趋势。结合热动力学计算及观组织分析,65mn锰冷轧钢板在应变速率由10-3 s-1增加至5×101s-1时,奥氏体的层错能由9.8 mJ/m2升高至18.7mJ/m2,层错能的升高抑制了奥氏体的转变,增加了奥氏体稳定性;同时应变速率增加导致发生相变的临界能量升高以及相变驱动力降低,也是奥氏体稳定性上升的原因。通过板材成形实验及DIC技术研究了不同变形方式下亚稳奥氏体的稳定性。
随着预应变量的增加,退火铁素体中的位错密度明显65锰钢板增加,部分稳定性差的大尺寸RA首先发生相变而使得RA量逐渐降低,稳定性逐渐提高;抗拉强度与屈服强度逐渐提高,而断后伸长率则逐渐降低。热轧退火实验钢具有高的氢脆敏感性,随着预应变量的增大,氢脆敏感性逐渐增大,以相对伸长率损失表征的氢脆敏感性指数由未变形样的75.9%提高到15%预应变样的83.2%。充氢样SSRT宏观断口边部存在脆性平台,其断裂机制主要为准解理断裂,且有较多二次裂纹。
65mn冷轧钢板退火实验钢具有超细晶等轴状的退火铁素体+RA复相组织,在预应变过程中发生了TWIP效应和TRIP效应并出现不稳定的中间相ε-马氏体。与热轧退火实验钢类似,预应变能够显著地改变冷轧退火实验钢的力学性能。冷轧退火中锰钢在拉伸过程中出现吕德斯带以及PLC现象。当预应变量等于吕德斯带对应的应变时,即预应变量约为3%时,可以使吕德斯带消失,但预应变对PLC效应则几乎没有影响。这主要与随着预应变量增加,实验钢中位错密度增加、RA稳定性提高、形变诱导马氏体含量增加及形变孪晶的产生等因素有关。对于冷轧退火中锰钢实验料,随着预应变量的增加,充氢试样中的可扩散氢含量显著增加而氢扩散系数降低。与热轧退火实验钢类似,冷轧退火实验钢同样表现出显著的氢脆敏感性,并且随着预应变量的增加,氢脆敏感性逐渐增大。
65锰钢板不同预应变量未充氢样的SSRT断口呈现典型的韧窝韧性断裂特征,而充氢预应变样断口由近表面的脆性沿晶+准解理的混合断裂向心部的韧窝韧性断裂模式逐渐转变。
作为新型超低温用钢,65锰钢板高锰奥氏体钢因优秀的力学性能和经济的造价而具有广范的应用前景。对高锰奥氏体钢的工程使用而言,保证焊缝金属的力学性能同样重要,因此,配套焊接材料的研发是关键。
本研究从合金元素对熔敷金属组织类型、机械稳定性和凝固裂纹敏感性的影响等方面考虑,设计了一种全奥氏体组织类型的高锰钢熔敷金属,其成分体系为C:0.2～0.5%、Mn:20.0～24.0%、Ni+Cr:4.0～8.0%,在此成分体系下熔敷金属具有良好的机械稳定性和低凝固裂纹敏感性。根据成分体系研制了高锰钢用实芯焊丝、金属粉型药芯焊丝和电焊条以及埋弧焊剂,并分别采用钨极氩弧焊、65mn锰冷轧钢板埋弧焊和手工电弧焊制备了高锰钢熔敷金属,采用常温拉伸、-196°C冲击和OM、EBSD、XRD等试验方法对熔敷金属的力学性能和观组织进行了详细的分析。力学性能分析结果显示,熔敷金属的屈服强度为323～495MPa,抗拉强度为600～732MPa,断后伸长率为36.0%～39.0%,-196°C平均冲击值为41～68J。熔敷金属观组织分析结果显示,组织类型为全奥氏体,呈胞状树枝晶结构,C、Mn、S等元素存在一定程度的显偏析,组织中存在大量Al2O3、SiO2、MnS类型的夹杂物。
熔敷金属良好的超低温冲击韧性主要缘于其全奥氏体组织类型,熔敷金属在冲击变形过程中发生马氏体转变（γ→ε-M→α’-M）,65锰冷轧钢板也在一定程度上提高了低温冲击功,熔敷金属中直径>0.5μm的夹杂物密度较低,是保持低温韧性的另一个关键因素,而C元素在一次奥氏体相的偏析则会致使组织发生低温脆断。采用金属粉型药芯焊丝和电焊条制备了高锰低温钢焊接接头,接头中焊缝金属的屈服强度为468～489MPa,抗拉强度为700～736MPa,断后伸长率分别为37.0%～37.5%,-196°C平均冲击值为68～83J,焊缝金属具有良好的力学性能,焊接材料与高锰低温钢匹配性较好。
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