作為新型超低溫用鋼,65錳鋼板高錳奧氏體鋼因的力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)的造價而具有廣范的應(yīng)用前景。對高錳奧氏體鋼的工程使用而言,保證焊縫金屬的力學(xué)性能同樣重要,因此,配套焊接材料的研發(fā)是關(guān)鍵。
本研究從合金元素對熔敷金屬組織類型、機(jī)械穩(wěn)定性和凝固裂紋敏感性的影響等方面考慮,設(shè)計了一種全奧氏體組織類型的高錳鋼熔敷金屬,其成分體系為C:0.2～0.5%、Mn:20.0～24.0%、Ni+Cr:4.0～8.0%,在此成分體系下熔敷金屬具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性和低凝固裂紋敏感性。根據(jù)成分體系研制了高錳鋼用實芯焊絲、金屬粉型藥芯焊絲和電焊條以及埋弧焊劑,并分別采用鎢極氬弧焊、65mn錳冷軋鋼板埋弧焊和手工電弧焊制備了高錳鋼熔敷金屬,采用常溫拉伸、-196°C沖擊和OM、EBSD、XRD等試驗方法對熔敷金屬的力學(xué)性能和觀組織進(jìn)行了詳細(xì)的分析。力學(xué)性能分析結(jié)果顯示,熔敷金屬的屈服強(qiáng)度為323～495MPa,抗拉強(qiáng)度為600～732MPa,斷后伸長率為36.0%～39.0%,-196°C平均沖擊值為41～68J。熔敷金屬觀組織分析結(jié)果顯示,組織類型為全奧氏體,呈胞狀樹枝晶結(jié)構(gòu),C、Mn、S等元素存在一定程度的顯偏析,組織中存在大量Al2O3、SiO2、MnS類型的夾雜物。
熔敷金屬良好的超低溫沖擊韌性主要緣于其全奧氏體組織類型,熔敷金屬在沖擊變形過程中發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變（γ→ε-M→α’-M）,65錳冷軋鋼板也在一定程度上提高了低溫沖擊功,熔敷金屬中直徑>0.5μm的夾雜物密度較低,是保持低溫韌性的另一個關(guān)鍵因素,而C元素在一次奧氏體相的偏析則會致使組織發(fā)生低溫脆斷。采用金屬粉型藥芯焊絲和電焊條制備了高錳低溫鋼焊接接頭,接頭中焊縫金屬的屈服強(qiáng)度為468～489MPa,抗拉強(qiáng)度為700～736MPa,斷后伸長率分別為37.0%～37.5%,-196°C平均沖擊值為68～83J,焊縫金屬具有良好的力學(xué)性能,焊接材料與高錳低溫鋼匹配性較好。
傳統(tǒng)高錳鋼在中低載荷工況下不具有優(yōu)勢,在其基礎(chǔ)上通過降低或增加碳錳元素含量研發(fā)出中錳和超65錳鋼板高錳鋼,在一定程度上彌補(bǔ)了其應(yīng)用中存在的不足。
本文對比研究了Mn8、Mn15及Mn18三種錳鋼的滑動和沖擊磨料磨損性能,分析了磨損機(jī)理。同時模擬礦井淋水腐蝕環(huán)境,探討了三種錳鋼的電化學(xué)腐蝕性能,論文得到以下主要結(jié)論:酸性礦井淋水腐蝕條件下,三種錳鋼表現(xiàn)出更負(fù)的腐蝕電位,酸性工況下耐腐蝕性能弱于堿性和中性腐蝕環(huán)境。酸、中、堿性礦井淋水腐蝕環(huán)境中,Mn8鋼的開路電位正（65mn錳冷軋鋼板）,極化曲線外推擬合腐蝕電壓 ,腐蝕電流小,且容抗弧半徑小,其耐腐蝕性能優(yōu)于Mn15和Mn18耐磨鋼。滑動磨損實驗表明,三種錳鋼的摩擦系數(shù)均呈現(xiàn)先快速升高,后下降到一定的范圍趨于平穩(wěn)的變化趨勢,低載平均摩擦系數(shù)高于高載。相同磨損工況條件下,Mn8均具有 磨損失重,其抗滑動磨料磨損性能優(yōu)于Mn15和Mn18耐磨鋼。
三種耐磨鋼磨損層硬度分布均呈現(xiàn)梯度變化特征,Mn8磨損亞表層（50mm處）65錳鋼板硬度達(dá)到550HV,Mn15和Mn18分別為450HV和510HV,Mn8的加工硬化效果佳,Mn18則優(yōu)于Mn15。三種耐磨鋼干摩擦磨損機(jī)理主要表現(xiàn)為粘著磨損,伴有局部區(qū)域的疲勞剝落破壞,石英砂磨料磨損機(jī)理主要為磨粒磨損,表現(xiàn)形式為寬且深的犁溝和較大區(qū)域的疲勞剝落。沖擊磨料磨損實驗表明,隨沖擊功的增大,三種錳鋼的加工硬化能力均提高,磨損失重也明顯降低。1.5J沖擊功時,Mn18的磨損失重低于Mn8和Mn15;3.5J沖擊功時,Mn8具有 的磨損失重。Mn8和Mn18亞表層組織具有較高密度的孿晶,亞表層（50mm處）硬度分別達(dá)到50HRC和48HRC,其加工硬化效果明顯優(yōu)于Mn15,加工硬化層深度超過1.5mm。三種錳鋼磨損形式主要表現(xiàn)為鑿削磨損和不同程度疲勞剝落磨損。
65錳鋼板Mn8、Mn15磨損層亞結(jié)構(gòu)主要為位錯、孿晶及馬氏體,其耐磨強(qiáng)化機(jī)制為馬氏體相變復(fù)合強(qiáng)化機(jī)制。Mn18磨損層亞結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大量位錯、孿晶外,未發(fā)現(xiàn)馬氏體相變,但出現(xiàn)Fe-Mn-C原子團(tuán)偏聚區(qū),其強(qiáng)化機(jī)制是通過位錯、孿晶和Fe-Mn-C原子團(tuán)強(qiáng)化
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預(yù)硬化以及服役過程中的變形會使得高錳鋼組織性能發(fā)生改變,相應(yīng)的腐蝕性能發(fā)生改變。
本文旨在研究變形對65錳鋼板高錳鋼腐蝕性能的影響,可為其在服役環(huán)境中的腐蝕評價及防護(hù)提供參考。依據(jù)變形后高錳鋼組織性能的變化,選取變形量為0%,20%,40%,60%四個有代表性的變形量進(jìn)行研究。本文以變形量為0%,20%,40%,60%的高錳鋼為研究對象,分別進(jìn)行電化學(xué)測試、慢應(yīng)變速率拉伸試驗和鹽霧腐蝕實驗。利用金相、XRD、EBSD和TEM表征方法觀察形變對高錳鋼組織結(jié)構(gòu)的影響。利用增重法、極化曲線和電化學(xué)阻抗譜分析方法研究不同變形量的高錳鋼在不同腐蝕條件下的腐蝕行為。結(jié)合SEM對腐蝕后的表面形貌的對比和XRD對銹層成分分析來探究不同腐蝕條件下的腐蝕機(jī)理。65mn錳冷軋鋼板研究結(jié)果表明:隨著軋制變形量的增大,位錯密度逐漸提高,形變孿晶數(shù)量逐漸增加。孿晶的生成阻礙了位錯的運動,使得高錳鋼硬度提高;位錯密度隨著軋制變形量增大而提高,位錯密度的提高是影響高錳鋼腐蝕性能的主導(dǎo)因素。位錯密度的提高使得高錳鋼表面處于高度無序的狀態(tài)增強(qiáng),表面的電子活性增大,不僅為陰陽離子快速傳輸提供更多的通道,還促進(jìn)滑移臺階的形成與發(fā)展,利于化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。
65mn錳冷軋鋼板高錳鋼受拉應(yīng)力和腐蝕性介質(zhì)的共同作用,斷裂方式呈現(xiàn)脆性斷裂,塑韌性受到了損失。應(yīng)力腐蝕敏感性隨著變形量的增大而增大。高錳鋼的基體和銹層產(chǎn)物共同作用影響其耐鹽霧腐蝕的性能,銹層產(chǎn)物主要由?-Fe OOH、?-FeOOH、?-Fe OOH、Fe3O4等組成。變形量大的高錳鋼因鋼基體活性較大和銹層產(chǎn)物中存在更多的具有一定反應(yīng)活性的?-FeOOH和Fe3O4而耐蝕性較差