日益增長的節能環保要求正不斷推動著汽車輕量化進程,相較鎂鋁等輕質材料,65錳冷軋鋼板汽車用鋼面臨著全流程綠色生產、高強高塑及優良成形性等多方面的挑戰。
以中錳鋼和淬火&配分（Q&P）鋼為典型代表的第三代先進高強鋼（AHSS）在汽車輕量化材料中具有良好的競爭力65錳鋼板。本論文主要從第三代AHSS的關鍵相——亞穩態殘留奧氏體的設計出發,結合中錳鋼的奧氏體逆轉變退火（ART）工藝及Q&P工藝,設計并制備了具有高殘留奧氏體含量的超高強含鋁中錳鋼,系統性探索殘留奧氏體含量、形態、尺寸及周圍基體相的分布與其相變誘導塑性（TRIP）效應的相互關系,實現低成本、簡工序的超高強（抗拉強度>1300MPa,強塑積>35GPa·%）含鋁中錳鋼的組織調控及強韌化機制研究。低成本無合金元素的“C-Si-Mn-Al”系成分設計及短工序低能耗的制備流程為汽車輕量化提供了優質的選材。
采用0.3C-1.5Si-4Mn,wt.%為基本合金體系,利用梯度鋁含量（1\2\4,wt.%）調控中錳系鋼的臨界區溫度及工藝窗口,實現高65mn錳冷軋鋼板強度的基體組織設計,即“鐵素體+殘留奧氏體”的含鋁中錳TRIP鋼及“鐵素體+回火馬氏體+殘留奧氏體”的含鋁中錳淬火及回火配分（IQ-TP）鋼。采用掃描電鏡SEM、透射電鏡TEM、電子背散射衍射EBSD、X射線衍射儀XRD等顯組織形貌表征技術及相分析手段,結合原位變形技術系統性分析超高強含鋁中錳鋼的多元復合組織構成、應變協調性及強韌化機制;同時借助于電子探針EPMA分析宏觀元素偏析行為,利用Thermo calc\DICTRA熱力學動力學軟件及原子探針層析術（APT）等深層次揭示觀元素配分規律;合理調控臨界區奧氏體化溫度、加熱速率、65mn錳冷軋鋼板壓下率等工藝參數,實現殘留奧氏體及其他基本相的 化配置,改善或中錳系鋼中的屈服平臺及PLC塑性失穩現象。
傳統高65mn錳鋼板（Hadfield鋼）在室溫下能獲得單相奧氏體,具有優良的加工硬化能力和抗沖擊能力,因此廣泛用作沖擊載荷下的耐磨材料。然而較低的屈服強度和初始硬度,導致材料在低沖擊載荷下不能完全發揮其耐磨性就發生塑性變形,降低了使用壽命。本文設計出一種輕質超高錳鋼（Fe-31.6Mn-8.8A1-1.38C）,具有低密度、高屈服強度、高初始硬度、良好沖擊韌性等特點,適用于低沖擊載荷下的磨損條件。通過研究時效處理后的相轉變、壓縮變形、沖擊磨損分析了實驗鋼的強化機理和磨損機理。
實驗鋼經1050℃保溫1.5h水韌處理后獲得單相奧氏體,65錳冷軋鋼板時效后奧氏體基體會彌散析出納米級別的κ’-碳化物,有助于屈服強度和初始硬度。在550℃時效2h綜合力學性能65錳鋼板佳,與僅水韌處理相比屈服強度提高107.4%,初始硬度提高28.7%,其抗拉強度為1041.7 MPa、屈服強度為1002.7 MPa、斷后伸長率為17.6%、沖擊韌性（V型缺口）為62 J/cm2和硬度為268.5 HB。隨著時效溫度升高（550℃～900℃）相轉變的順序為:κ’→納米-κ’+β-Mn→亞米-κ’+β-Mn+α→納米-κ’。其中四種類型的κ相析出涉及尺寸、形貌和分布被總結,包括晶內型:納米-κ’（<50nm）,亞米-κ’（>100nm）。
晶間型:κ*（～1μm）。以及片層狀κ,存在α+κ群落中。在550℃時效下,納米-κ’能促進β-Mn沿晶界析出,不需要借助α相;而在700℃和800℃長時間時效下,由于α相的大量析出,其形成主要借助于γ→α反應。通過納米壓痕測試,獲得了不同時效溫度下基體與析出相的納米硬度。計算得到理論層錯能（SFE）為82.3 mJ/m2,由于平面滑移軟化效應,變形模式以位錯平面滑動為主,隨著變形量的增加,主要的亞結構演變順序為:平面位錯隊列→平面位錯配置（偶極子和Lomer-Cottrell鎖）→泰勒晶格→帶。65錳冷軋鋼板本研究利用壓縮變形,觀察到了高層錯能下被抑制的形變孿晶以及一種多晶結構。通過分析理論臨界孿生應力（σT）,當外加應力大于σT,形變孿晶出現。多晶結構內部以位錯纏結為主,通過波狀滑移形成了位錯胞。并提出了多效協同的強化機理:1)位錯平面滑移導致滑移帶細化和帶形成,2)形變孿晶,3)多晶結構。這些形變亞結構的出現共同限制了位錯運動,促進基體內位錯密度的不均勻,從而增強了應變硬化。低沖擊載荷（0.5 J）下,時效后實驗65mn錳鋼板耐磨性更好,磨損百分比更低（0.55%～0.57%）。
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2）選取機械性能 的兩種材料65mn錳冷軋鋼板0Si退火10min試樣、0.6Si退火30min試樣）,在1×10-4/s～1×10-1/s的應變速率下進行實驗,機械性能和斷裂行為的研究表明:隨著應變速率的增加,由于TRIP效應被抑制,0Si和0.6Si的抗拉強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%。隨著應變速率的增加,0Si的斷面收縮率基本不變（約為70%）,0.6Si的斷面收縮率大約由51%增加至72%。應變速率并未影響0Si和0.6Si的斷裂行為。然而,隨著應變速率的降低,表面裂紋的形核數量增加,擴展速率降低;斷口的韌窩尺寸降低,二次裂紋數量和尺寸增加。
（3）選取四種材料（0Si和0.6Si均退火3min和30min試樣）,65錳鋼板系統的研究了成分和退火時間對氫脆性能和氫致斷裂行為的影響。關于退火時間:隨著退火時間的增加,0Si和0.6Si的氫脆敏感性均呈現上升趨勢,比如:當退火3min時,0Si/0.6Si的塑性損失和強度損失分別為13.5%/46.7%和0.0%/1.7%;當退火30min時,0Si/0.6Si的塑性損失和強度損失分別為79.2%/76.5%和26.8%/6.3%。關于成分:退火3min時,0Si的氫脆敏感性較低;退火30min時,0.6Si的氫脆敏感性較低。相比空拉斷裂行為而言,氫原子促進裂紋更容易形核與擴展,進而導致材料提前斷裂。對于0Si:裂紋形核與氫原子無關,但是,氫致裂紋呈沿晶和穿晶擴展。對于0.6Si:裂紋形核與擴展與氫原子無關,斷口則由細小的韌窩變為脆性準解理。
5）在不劣化市售馬氏體材料（S0）65mn錳冷軋鋼板機械性能的基礎上,二次回火不同時間（30min,60min,120min）,試樣分別記為 S30、S60 和 S120,發現,二次回火工藝可以有效地提高其抗氫脆性能,如下:S0和S60的塑性損失和強度損失分別為100.0%/79.3%和35.9%/1.7%。二次回火試樣抗氫脆性能高的原因如下:1、不可逆氫陷阱MoyCx析出物的長大;2、滲碳體/基體界面的增加;滲碳體/基體應變界面具有較高的陷阱能;3、位錯密度的降低。
