近年來,全國汽車總量不斷增加,導致由汽車排放產生的尾氣以及能源消耗等問題日益嚴重。如何提高汽車用65錳鋼板薄板鋼的強塑積,盡可能實現汽車輕量化的同時兼顧駕駛,實現節能減排、低耗等價值成為關注和研究熱點。目前,中錳鋼（錳含量一般在3～11wt%）作為第3代先進高強鋼,因其具有優異的抗拉強度、伸長率、強塑積、耐撞性和性,所以其在汽車板的應用中具有極大發展前景。本文設計了 5Mn,5Mn-Nb-Mo和4Mn-Nb-Mo三種不同成分體系中錳鋼,主要研究了多種組織調控熱處理工藝后實驗鋼的組織演變、力學性能、加工硬化行為、強塑化機理、奧氏體穩定性和TRIP效應。
為中錳鋼的性能優化以及工業化應用提供實驗和理論基礎。65mn錳冷軋鋼板本文獲得主要實驗結果歸納如下:（1）5Mn實驗鋼的 奧氏體逆相變（ART）工藝參數為:625℃溫度下臨界退火4h并水冷至室溫。熱軋+ART、溫軋+ART和冷軋+ART實驗鋼均表現出優異的強塑積,其中500℃溫軋+ART實驗鋼性能 ,殘余奧氏體（RA）含量達到56.8%,抗拉強度為1001MPa,伸長率為57.5%,強塑積可達57.6GPa·%。（2）淬火和回火（Q&T）工藝處理后的5Mn-Nb-Mo冷軋實驗鋼力學性能優于熱軋實驗鋼。
65mn錳冷軋鋼板實驗鋼在625～675℃臨界退火30min水淬,隨后在200℃回火15min,獲得了優異的綜合性能,即RA含量 可達到39%,抗拉強度為1059～1190MPa,伸長率為33～40%,強塑積為33.9～41.0GPa·%。 冷軋CR-650試樣與佳熱軋HR-650試樣相比,前者的韌窩尺寸更大更深,進而表現出更為優異的伸長率。
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本文意在解決高錳鋼在低應力條件下耐磨性較差的缺點,同時滿足其在高應力沖擊下保持較好的沖擊韌性,開展了高錳鋼表面等離子熔覆FeCoNiCrMnTix高熵合金涂層的探索,研究了高65錳鋼板錳鋼表面等離子熔覆FeCoNiCrMnTix高熵合金涂層后,以及對FeCoNiCrMnTix高熵合金涂層/高錳鋼基體進行時效處理后的組織與性能的演變,探明Ti元素的添加以及時效處理對于FeCoNiCrMn系高熵合金涂層組織與性能的影響,為后續在高錳鋼表面制備出能夠承受高低應沖擊高熵合金耐磨涂層提供參考。
試驗結果表明:FeCoNiCrMnTix高熵合金涂層在熔覆后表層晶粒結構為等軸晶,同時有少量共晶組織產生,熔覆層中部為樹枝晶,與基體接觸的熔覆層底部為胞狀晶;在時效后熔覆層整體的等軸晶增多,相應的樹枝晶和胞狀晶有所減少。熔覆后FeCoNiCrMnTix的物相構成比較單一穩定,65mn冷軋鋼板當x=0的時候熔覆層的物相組成由單一的FCC相組成,主要相為Fe0.64Ni0.36,當Ti元素加入后,有BCC相Co3Ti產生,且新相Co3Ti的峰值也隨Ti元素的增多而提高。在時效過后熔覆層的物相組成沒有很大差別,Co3Ti析出物有了明顯的增多,峰值也有了明顯的提高。整體上各個試樣的硬度從熔覆層到熱影響區再到基體呈下降趨勢。
65mn錳冷軋鋼板熔覆后的涂層硬度由表至里變化趨勢略下降;時效處理后的涂層硬度由表至里的下降趨勢不明顯,涂層的硬度較為平均,且時效處理前后的試樣 硬度值都隨Ti含量的增多而。其中基體的硬度值在220.4HV左右,熔覆后的高熵合金涂層 硬度值為344.5HV。時效處理后FeCoNiCrMnTi0.5高熵合金涂層的 硬度值為469.7HV。
結果表明,65錳鋼板當變形方式由簡單剪切變為單向拉伸再變為平面應變 變為等雙拉時,奧氏體的穩定性逐漸下降。通過EBSD觀察發現,不同變形方式下,隨著應變量的增加,奧氏體逐漸發生畸變,部分奧氏體發生馬氏體相變,鐵素體內部幾何必要位錯密度增加。結合織構分析、Schmid因子及外力所做功的計算可知,變形方式由單向拉伸變為平面應變再變為等雙拉時,奧氏體Schmid因子增加,同時機械外力所做的功上升,兩種因素共同作用導致奧氏體的穩定性下降。而在簡單剪切變形時,奧氏體Schmid因子較高,而機械外力所做的功 ,機械外力產生的相變驅動力較小,導致簡單剪切變形時奧氏體的穩定性較高。以奧氏體在不同應變速率和變形方式下的穩定性為理論依據,利用彎曲回彈實驗研究了成形工藝參數對中錳鋼回彈行為的影響。
結果表明,彎曲變形后中錳鋼厚度方向上發生不均勻變形。65mn錳冷軋鋼板在增加沖壓速度的條件下,彎曲內層區域的變形程度較低,導致發生馬氏體相變的奧氏體體積分數減少及幾何必要位錯密度增加趨勢減弱,使得加工硬化能力減弱,從而中錳鋼的回彈角降低。在增加彎曲角度的條件下,彎曲內層區域的變形程度增加,使得發生馬氏體相變的奧氏體體積分數增加以及幾何必要位錯密度增加,導致加工硬化增加,從而中錳鋼的回彈角增加。當凹?？缇嘣黾訒r,彎曲內層區域和外層區域的變形均降低,使得發生馬氏體相變的奧氏體體積分數及幾何必要位錯密度呈現減弱趨勢。在相同的總變形條件下,凹?？缇嗟脑黾?使得彈性變形階段所占比例增大,因而中錳鋼的回彈角增加。通過改變兩相區退火工藝和軋制方式研究了奧氏體體積分數和織構對中錳鋼彎曲回彈的影響。結果表明,奧氏體體積分數的增加,使得材料的彈性模量增加;制備不同奧氏體體積分數的兩相區退火工藝使得中錳鋼具有不同的屈服強度和加工硬化。
65mn錳冷軋鋼板彈性模量、屈服強度和加工硬化的差異共同導致回彈角的變化。在不同的奧氏體織構條件下,中錳鋼的彈性模量隨著含<111>的織構組分強度的減弱而降低;同時其加工硬化能力隨著含<1-10>和<001>的織構組分強度的增強而增加。彈性模量的降低和加工硬化能力的增加是回彈角增加的主要原因?？紤]奧氏體體積分數和織構對彈性模量影響的有限元仿真模型,能夠更地預測實驗用中錳鋼的回彈行為,其預測的回彈角更接近實驗測定的回彈角。
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。
