圓錐破碎機是礦山行業中的一個關鍵設備65錳冷軋鋼板,其工作環境復雜且工作量巨大,因此設置耐磨襯板來保護圓錐破碎機的機體結構,作為該設備重要的消耗配件,其性能和使用壽命直接影響圓錐破碎機的工作效率和生產成本。目前我國破碎機襯板廣泛采用高錳鋼,其特點為屈服強度和初始硬度較低,若無法充分發揮加工硬化作用,高錳鋼的耐磨性難以滿足圓錐破碎機的使用需求。基于此,本文沿著提高強度和硬度、并保持一定沖擊韌性,從而提高綜合耐磨性的思路,設計了一種以貝氏體和馬氏體為主要組織的圓錐破碎機襯板用貝-馬復相耐磨鑄鋼。研究了貝-馬復相耐磨鑄鋼的相變規律,得到了 Ac1、Ac3和Ms溫度分別為762℃、843℃和281℃。
65錳鋼板材料的淬透性良好,在40℃/s～0.05℃/s的冷速范圍內均可發生馬氏體相變,在5℃/s～0.05℃/s的冷速范圍內均能夠獲得一定含量的貝氏體組織。確定了貝-馬復相耐磨鑄鋼的 熱處理工藝為900℃×2 h空冷或爐冷+回火300℃×2h,此時的力學性能為:抗拉強度1478 MPa、屈服強度1233 MPa、硬度52.1 HRC、常溫沖擊功20.6 J。分析了熱處理工藝參數對貝-馬復相耐磨鑄鋼力學性能和顯組織的影響規律,結果表明:淬火保溫溫度直接影響原始奧氏體晶粒、馬氏體板條束和板條塊的尺寸,而對馬氏體板條尺寸的影響具有遲滯性。
淬火冷卻速度影響組織中貝氏體和馬氏體的含量,在馬氏體晶界處的Mn、S、C和Si化合物降低了韌性,65mn錳冷軋鋼板在貝氏體組織中,大角度晶界和Y2O3的析出物對韌性有益。馬氏體組織具有更高密度的位錯纏結和更精細的板條組織,因此納米硬度高于貝氏體組織。通過二體銷-盤磨損實驗和三體沖擊磨料磨損實驗對比了貝-馬復相耐磨鑄鋼和Mn13Cr2的耐磨性,結果表明:貝-馬復相耐磨鑄鋼的耐磨性在銷-盤磨損和1 J、2 J、4 J沖擊磨料磨損時分別比Mn13Cr2高197%和38%、99%、246%。對貝-馬復相耐磨鑄鋼鹽霧腐蝕后再進行三體沖擊磨料磨損實驗,其耐磨性在鹽霧腐蝕1 h、2 h、4 h、8 h和24 h后分別降低了 10%、42%、54%、57%和 58%。提出了一種多維度磨損分析方法來闡釋貝-馬復相耐磨鑄鋼的耐磨機理。65錳鋼板一維磨損分析揭示了沿磨損表面法線方向,貝-馬復相耐磨鑄鋼的加工硬化機理為孿晶、高密度位錯和殘余奧氏體相變,Mn13Cr2的加工硬化機理為位錯纏結和堆垛層錯。
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。
3）65錳冷軋鋼板o熱軋實驗鋼佳臨界退火+淬火和配分（IA&QP）工藝參數為760℃臨界區退火30min,180℃等溫淬火10s并在350℃等溫配分180s。該工藝下熱軋實驗鋼展現出了 力學性能,即抗拉強度1231MPa,伸長率24.8%,強塑積可達30.5GPa·%。IA&QP工藝處理后4Mn-Nb-Mo熱軋實驗鋼的抗拉強度均超過了 1024MPa,但伸長率和RA含量不高。
（4）采用新型循環淬火和奧氏體逆相變（CQ-ART）65錳鋼板工藝處理后的4Mn-Nb-Mo冷軋實驗鋼,晶粒尺寸得到了明顯的細化,同時RA含量顯著提高。兩次循環淬火后的CQ2-ART冷軋試樣具有高RA含量（62.0%）、佳晶粒尺寸（0.40μm）以及穩定性;這為RA在變形期間TRIP效應的產生提供了有力的保證。終CQ2-ART試樣獲得了 綜合性能,即抗拉強度為838MPa,伸長率為90.8%,強塑積達到76.1GPa·%。（5）研究4Mn-Nb-Mo和5Mn-Nb-Mo實驗鋼奧氏體穩定性因素,發現Mn元素的含量是影響其穩定性的主要因素。不同晶粒尺寸和Mn含量的RA具有不同等級的RA穩定性。實驗鋼RA中存在明顯的Mn配分行為,進而導致RA具有不同級別的穩定性,也因此表現出不同的加工硬化行為。本論文設計的4Mn-Nb-Mo和5Mn-Nb-Mo兩種低合金實驗鋼在擁有明顯綜合性能優勢的同時達到了盡量減少總合金元素含量的目的。
（6）65錳鋼板三種實驗鋼S3階段加工硬化率曲線的大幅度波動歸因于不連續TRIP效應。其原因在于RA在拉伸過程中轉變為馬氏體并且發生了體積膨脹,進而抵消部分應力集中并使應力轉移到周圍相中而產生協同變形,伴隨著應力的松弛和轉移;其次,實驗鋼中的RA需要有不同等級批次的穩定性,當應力值達到或超過該等級批次RA可發生相變的臨界值才可產生TRIP效應。（7）Ms點受到RA中化學成分、晶粒尺寸、屈服強度和應力狀態等作用影響。可通過將實驗鋼MSσ溫度控制在使用溫度以下,以獲得更多更穩定的RA,進而產生更為廣泛的TRIP效應,終提高實驗鋼的綜合性能。
隨著汽車輕量化戰略的實施及汽車行業需求的變化,高強度高塑性的先進高強鋼被開發及應用。65錳鋼板尤其是以中錳鋼等鋼種為代表的第三代先進高強鋼兼顧成本及性能,在低制造成本的前提下,其強塑積能達到30 GPa-%級以上。
在開發中錳鋼等第三代先進高強鋼的過程中,亞穩奧氏體及其穩定性被認為是影響鋼材優異力學性能的關鍵因素;在應用中錳鋼等鋼種的過程中,亞穩奧氏體及其穩定性會影響回彈等成形方面的問題,因此需要深入研究。65mn錳冷軋鋼板本文以強塑積為30 GPa-%級的高強塑中錳鋼為研究對象,分析了組織中亞穩奧氏體在不同應變速率和不同變形方式下的穩定性;并以此為理論依據,探討了彎曲變形過程亞穩奧氏體發生的相變行為以及亞穩奧氏體對彎曲回彈的影響, 基于奧氏體特征建立了回彈預測模型,實現了中錳鋼回彈行為的高精度預測。本文的主要工作和結論如下:利用高速拉伸實驗及數字圖像關聯技術（Digital image correlation,DIC）研究了不同應變速率下亞穩奧氏體的穩定性。
結果表明,在應變速率為10-3s-1至5×101s-1范圍內,奧氏體穩定性隨著應變速率的增加而增加。通過EBSD和TEM觀察發現,不同應變速率下,高強塑中錳鋼觀組織的演變規律基本保持一致,即奧氏體隨著應變量的增加逐漸發生畸變,其內部產生層錯,部分奧氏體轉變成馬氏體;鐵素體內部幾何必要位錯密度隨著應變量的增加而顯著增加,并形成高密度的小角度晶界;奧氏體晶粒內的層錯隨著應變速率的增加呈現逐漸稀疏的趨勢。結合熱動力學計算及觀組織分析,65mn錳冷軋鋼板在應變速率由10-3 s-1增加至5×101s-1時,奧氏體的層錯能由9.8 mJ/m2升高至18.7mJ/m2,層錯能的升高抑制了奧氏體的轉變,增加了奧氏體穩定性;同時應變速率增加導致發生相變的臨界能量升高以及相變驅動力降低,也是奧氏體穩定性上升的原因。通過板材成形實驗及DIC技術研究了不同變形方式下亞穩奧氏體的穩定性。
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傳統高錳鋼在中低載荷工況下不具有優勢,在其基礎上通過降低或增加碳錳元素含量研發出中錳和超65錳鋼板高錳鋼,在一定程度上彌補了其應用中存在的不足。
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,分析了磨損機理。同時模擬礦井淋水腐蝕環境,探討了三種錳鋼的電化學腐蝕性能,論文得到以下主要結論:酸性礦井淋水腐蝕條件下,三種錳鋼表現出更負的腐蝕電位,酸性工況下耐腐蝕性能弱于堿性和中性腐蝕環境。酸、中、堿性礦井淋水腐蝕環境中,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,其耐腐蝕性能優于Mn15和Mn18耐磨鋼。滑動磨損實驗表明,三種錳鋼的摩擦系數均呈現先快速升高,后下降到一定的范圍趨于平穩的變化趨勢,低載平均摩擦系數高于高載。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于Mn15和Mn18耐磨鋼。
三種耐磨鋼磨損層硬度分布均呈現梯度變化特征,Mn8磨損亞表層（50mm處）65錳鋼板硬度達到550HV,Mn15和Mn18分別為450HV和510HV,Mn8的加工硬化效果佳,Mn18則優于Mn15。三種耐磨鋼干摩擦磨損機理主要表現為粘著磨損,伴有局部區域的疲勞剝落破壞,石英砂磨料磨損機理主要為磨粒磨損,表現形式為寬且深的犁溝和較大區域的疲勞剝落。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）硬度分別達到50HRC和48HRC,其加工硬化效果明顯優于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磨損層亞結構主要為位錯、孿晶及馬氏體,其耐磨強化機制為馬氏體相變復合強化機制。Mn18磨損層亞結構出現大量位錯、孿晶外,未發現馬氏體相變,但出現Fe-Mn-C原子團偏聚區,其強化機制是通過位錯、孿晶和Fe-Mn-C原子團強化
