目前,随着第三代汽车用现金高强65锰钢板的开发,越来越多的高品质中锰钢出现。中锰钢内有大量亚稳奥氏体组织,在变形过程中伴随着相变的发生,能够提高材料的强度和塑性。但目前科研人员大多聚焦在中锰钢成分及组织调控方面,对于中锰钢实际应用鲜有关注。本文基于原位扫描电镜观察,DIC光学实验观察,XRD检测分析及不同应变量样品的透射电镜观察分析研究了5Mn中锰钢单轴拉伸过程中的变形机理,结合观组织表征、力学性能测试和仿真分析,探索中锰钢成形性能、强韧化机理及实际生产可行性。
5Mn中锰钢强塑积可达到30GPa.%以上,基体为铁素体及奥氏体组织,可能存在冷轧及热处理引入的少量板条马氏体,其中奥氏体分为大晶粒和小晶粒两种类型,大晶粒奥氏体稳定性低于小晶粒奥氏体。单轴拉伸过程中,屈服阶段奥氏体向马氏体转变的转变量较少,因此吕德斯应变仅为1%左右（远低于同类中锰钢）,屈服结束后较多大晶粒奥氏体发生相变,20%变形后大量小晶粒奥氏体发生相变。由于奥氏体晶粒较小,因此相变产生的可动位错数量适中,产生连续传播的A型PLC带。部分大晶粒奥氏体在变形过程中出现层错,其相变过程为奥氏体—ε马氏体—α’-马氏体。本文通过埃里克森杯突实验,扩孔实验及成形极限实验研究了5Mn中锰钢的成形性能。65mn锰冷轧钢板钢拥有良好的杯突性能,在光洁区域杯突值可达到12mm以上。实验采用激光切割,线切割及冲孔三种预制孔加工工艺研究制孔工艺对扩孔性能的影响,结果显示线切割制孔样扩孔性能 ,激光切割制孔样扩孔性能为稳定,冲孔样由于冲孔过程中局部材料存在相变及加工硬化,因此扩孔性能
作为新型超低温用钢,65锰钢板高锰奥氏体钢因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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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钢的开路电位正（65mn锰冷轧钢板）,极化曲线外推拟合腐蚀电压 ,腐蚀电流小,且容抗弧半径小,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
传统高65mn锰钢板（Hadfield钢）在室温下能获得单相奥氏体,具有优良的加工硬化能力和抗冲击能力,因此广泛用作冲击载荷下的耐磨材料。然而较低的屈服强度和初始硬度,导致材料在低冲击载荷下不能完全发挥其耐磨性就发生塑性变形,降低了使用寿命。本文设计出一种轻质超高锰钢（Fe-31.6Mn-8.8A1-1.38C）,具有低密度、高屈服强度、高初始硬度、良好冲击韧性等特点,适用于低冲击载荷下的磨损条件。通过研究时效处理后的相转变、压缩变形、冲击磨损分析了实验钢的强化机理和磨损机理。
实验钢经1050℃保温1.5h水韧处理后获得单相奥氏体,65锰冷轧钢板时效后奥氏体基体会弥散析出纳米级别的κ’-碳化物,有助于屈服强度和初始硬度。在550℃时效2h综合力学性能65锰钢板佳,与仅水韧处理相比屈服强度提高107.4%,初始硬度提高28.7%,其抗拉强度为1041.7 MPa、屈服强度为1002.7 MPa、断后伸长率为17.6%、冲击韧性（V型缺口）为62 J/cm2和硬度为268.5 HB。随着时效温度升高（550℃～900℃）相转变的顺序为:κ’→纳米-κ’+β-Mn→亚米-κ’+β-Mn+α→纳米-κ’。其中四种类型的κ相析出涉及尺寸、形貌和分布被总结,包括晶内型:纳米-κ’（<50nm）,亚米-κ’（>100nm）。
晶间型:κ*（～1μm）。以及片层状κ,存在α+κ群落中。在550℃时效下,纳米-κ’能促进β-Mn沿晶界析出,不需要借助α相;而在700℃和800℃长时间时效下,由于α相的大量析出,其形成主要借助于γ→α反应。通过纳米压痕测试,获得了不同时效温度下基体与析出相的纳米硬度。计算得到理论层错能（SFE）为82.3 mJ/m2,由于平面滑移软化效应,变形模式以位错平面滑动为主,随着变形量的增加,主要的亚结构演变顺序为:平面位错队列→平面位错配置（偶极子和Lomer-Cottrell锁）→泰勒晶格→带。65锰冷轧钢板本研究利用压缩变形,观察到了高层错能下被抑制的形变孪晶以及一种多晶结构。通过分析理论临界孪生应力（σT）,当外加应力大于σT,形变孪晶出现。多晶结构内部以位错缠结为主,通过波状滑移形成了位错胞。并提出了多效协同的强化机理:1)位错平面滑移导致滑移带细化和带形成,2)形变孪晶,3)多晶结构。这些形变亚结构的出现共同限制了位错运动,促进基体内位错密度的不均匀,从而增强了应变硬化。低冲击载荷（0.5 J）下,时效后实验65mn锰钢板耐磨性更好,磨损百分比更低（0.55%～0.57%）。
