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日益增长的节能环保要求正不断推动着汽车轻量化进程,相较镁铝等轻质材料,65锰冷轧钢板汽车用钢面临着全流程绿色生产、高强高塑及优良成形性等多方面的挑战。
以中锰钢和淬火&配分（Q&P）钢为典型代表的第三代先进高强钢（AHSS）在汽车轻量化材料中具有良好的竞争力65锰钢板。本论文主要从第三代AHSS的关键相——亚稳态残留奥氏体的设计出发,结合中锰钢的奥氏体逆转变退火（ART）工艺及Q&P工艺,设计并制备了具有高残留奥氏体含量的超高强含铝中锰钢,系统性探索残留奥氏体含量、形态、尺寸及周围基体相的分布与其相变诱导塑性（TRIP）效应的相互关系,实现低成本、简工序的超高强（抗拉强度>1300MPa,强塑积>35GPa·%）含铝中锰钢的组织调控及强韧化机制研究。低成本无合金元素的“C-Si-Mn-Al”系成分设计及短工序低能耗的制备流程为汽车轻量化提供了优质的选材。
采用0.3C-1.5Si-4Mn,wt.%为基本合金体系,利用梯度铝含量（1\2\4,wt.%）调控中锰系钢的临界区温度及工艺窗口,实现高65mn锰冷轧钢板强度的基体组织设计,即“铁素体+残留奥氏体”的含铝中锰TRIP钢及“铁素体+回火马氏体+残留奥氏体”的含铝中锰淬火及回火配分（IQ-TP）钢。采用扫描电镜SEM、透射电镜TEM、电子背散射衍射EBSD、X射线衍射仪XRD等显组织形貌表征技术及相分析手段,结合原位变形技术系统性分析超高强含铝中锰钢的多元复合组织构成、应变协调性及强韧化机制;同时借助于电子探针EPMA分析宏观元素偏析行为,利用Thermo calc\DICTRA热力学动力学软件及原子探针层析术（APT）等深层次揭示观元素配分规律;合理调控临界区奥氏体化温度、加热速率、65mn锰冷轧钢板压下率等工艺参数,实现残留奥氏体及其他基本相的 化配置,改善或中锰系钢中的屈服平台及PLC塑性失稳现象。
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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
圆锥破碎机是矿山行业中的一个关键设备65锰冷轧钢板,其工作环境复杂且工作量巨大,因此设置耐磨衬板来保护圆锥破碎机的机体结构,作为该设备重要的消耗配件,其性能和使用寿命直接影响圆锥破碎机的工作效率和生产成本。目前我国破碎机衬板广泛采用高锰钢,其特点为屈服强度和初始硬度较低,若无法充分发挥加工硬化作用,高锰钢的耐磨性难以满足圆锥破碎机的使用需求。基于此,本文沿着提高强度和硬度、并保持一定冲击韧性,从而提高综合耐磨性的思路,设计了一种以贝氏体和马氏体为主要组织的圆锥破碎机衬板用贝-马复相耐磨铸钢。研究了贝-马复相耐磨铸钢的相变规律,得到了 Ac1、Ac3和Ms温度分别为762℃、843℃和281℃。
65锰钢板材料的淬透性良好,在40℃/s～0.05℃/s的冷速范围内均可发生马氏体相变,在5℃/s～0.05℃/s的冷速范围内均能够获得一定含量的贝氏体组织。确定了贝-马复相耐磨铸钢的 热处理工艺为900℃×2 h空冷或炉冷+回火300℃×2h,此时的力学性能为:抗拉强度1478 MPa、屈服强度1233 MPa、硬度52.1 HRC、常温冲击功20.6 J。分析了热处理工艺参数对贝-马复相耐磨铸钢力学性能和显组织的影响规律,结果表明:淬火保温温度直接影响原始奥氏体晶粒、马氏体板条束和板条块的尺寸,而对马氏体板条尺寸的影响具有迟滞性。
淬火冷却速度影响组织中贝氏体和马氏体的含量,在马氏体晶界处的Mn、S、C和Si化合物降低了韧性,65mn锰冷轧钢板在贝氏体组织中,大角度晶界和Y2O3的析出物对韧性有益。马氏体组织具有更高密度的位错缠结和更精细的板条组织,因此纳米硬度高于贝氏体组织。通过二体销-盘磨损实验和三体冲击磨料磨损实验对比了贝-马复相耐磨铸钢和Mn13Cr2的耐磨性,结果表明:贝-马复相耐磨铸钢的耐磨性在销-盘磨损和1 J、2 J、4 J冲击磨料磨损时分别比Mn13Cr2高197%和38%、99%、246%。对贝-马复相耐磨铸钢盐雾腐蚀后再进行三体冲击磨料磨损实验,其耐磨性在盐雾腐蚀1 h、2 h、4 h、8 h和24 h后分别降低了 10%、42%、54%、57%和 58%。提出了一种多维度磨损分析方法来阐释贝-马复相耐磨铸钢的耐磨机理。65锰钢板一维磨损分析揭示了沿磨损表面法线方向,贝-马复相耐磨铸钢的加工硬化机理为孪晶、高密度位错和残余奥氏体相变,Mn13Cr2的加工硬化机理为位错缠结和堆垛层错。
2）选取机械性能 的两种材料65mn锰冷轧钢板0Si退火10min试样、0.6Si退火30min试样）,在1×10-4/s～1×10-1/s的应变速率下进行实验,机械性能和断裂行为的研究表明:随着应变速率的增加,由于TRIP效应被抑制,0Si和0.6Si的抗拉强度和延伸率均大幅度降低,且0.6Si的延伸率降低的更快,比如:0Si的延伸率由44%下降至33%,0.6Si的延伸率由55%下降至35%。随着应变速率的增加,0Si的断面收缩率基本不变（约为70%）,0.6Si的断面收缩率大约由51%增加至72%。应变速率并未影响0Si和0.6Si的断裂行为。然而,随着应变速率的降低,表面裂纹的形核数量增加,扩展速率降低;断口的韧窝尺寸降低,二次裂纹数量和尺寸增加。
（3）选取四种材料（0Si和0.6Si均退火3min和30min试样）,65锰钢板系统的研究了成分和退火时间对氢脆性能和氢致断裂行为的影响。关于退火时间:随着退火时间的增加,0Si和0.6Si的氢脆敏感性均呈现上升趋势,比如:当退火3min时,0Si/0.6Si的塑性损失和强度损失分别为13.5%/46.7%和0.0%/1.7%;当退火30min时,0Si/0.6Si的塑性损失和强度损失分别为79.2%/76.5%和26.8%/6.3%。关于成分:退火3min时,0Si的氢脆敏感性较低;退火30min时,0.6Si的氢脆敏感性较低。相比空拉断裂行为而言,氢原子促进裂纹更容易形核与扩展,进而导致材料提前断裂。对于0Si:裂纹形核与氢原子无关,但是,氢致裂纹呈沿晶和穿晶扩展。对于0.6Si:裂纹形核与扩展与氢原子无关,断口则由细小的韧窝变为脆性准解理。
5）在不劣化市售马氏体材料（S0）65mn锰冷轧钢板机械性能的基础上,二次回火不同时间（30min,60min,120min）,试样分别记为 S30、S60 和 S120,发现,二次回火工艺可以有效地提高其抗氢脆性能,如下:S0和S60的塑性损失和强度损失分别为100.0%/79.3%和35.9%/1.7%。二次回火试样抗氢脆性能高的原因如下:1、不可逆氢陷阱MoyCx析出物的长大;2、渗碳体/基体界面的增加;渗碳体/基体应变界面具有较高的陷阱能;3、位错密度的降低。
