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傳統(tǒng)高65mn錳鋼板（Hadfield鋼）在室溫下能獲得單相奧氏體,具有優(yōu)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(qiáng)度和初始硬度,導(dǎo)致材料在低沖擊載荷下不能完全發(fā)揮其耐磨性就發(fā)生塑性變形,降低了使用壽命。本文設(shè)計(jì)出一種輕質(zhì)超高錳鋼（Fe-31.6Mn-8.8A1-1.38C）,具有低密度、高屈服強(qiáng)度、高初始硬度、良好沖擊韌性等特點(diǎn),適用于低沖擊載荷下的磨損條件。通過研究時(shí)效處理后的相轉(zhuǎn)變、壓縮變形、沖擊磨損分析了實(shí)驗(yàn)鋼的強(qiáng)化機(jī)理和磨損機(jī)理。
實(shí)驗(yàn)鋼經(jīng)1050℃保溫1.5h水韌處理后獲得單相奧氏體,65錳冷軋鋼板時(shí)效后奧氏體基體會(huì)彌散析出納米級別的κ’-碳化物,有助于屈服強(qiáng)度和初始硬度。在550℃時(shí)效2h綜合力學(xué)性能65錳鋼板佳,與僅水韌處理相比屈服強(qiáng)度提高107.4%,初始硬度提高28.7%,其抗拉強(qiáng)度為1041.7 MPa、屈服強(qiáng)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(shí)效溫度升高（550℃～900℃）相轉(zhuǎn)變的順序?yàn)?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(jié),包括晶內(nèi)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(shí)效下,納米-κ’能促進(jìn)β-Mn沿晶界析出,不需要借助α相;而在700℃和800℃長時(shí)間時(shí)效下,由于α相的大量析出,其形成主要借助于γ→α反應(yīng)。通過納米壓痕測試,獲得了不同時(shí)效溫度下基體與析出相的納米硬度。計(jì)算得到理論層錯(cuò)能（SFE）為82.3 mJ/m2,由于平面滑移軟化效應(yīng),變形模式以位錯(cuò)平面滑動(dòng)為主,隨著變形量的增加,主要的亞結(jié)構(gòu)演變順序?yàn)?平面位錯(cuò)隊(duì)列→平面位錯(cuò)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(cuò)能下被抑制的形變孿晶以及一種多晶結(jié)構(gòu)。通過分析理論臨界孿生應(yīng)力（σT）,當(dāng)外加應(yīng)力大于σT,形變孿晶出現(xiàn)。多晶結(jié)構(gòu)內(nèi)部以位錯(cuò)纏結(jié)為主,通過波狀滑移形成了位錯(cuò)胞。并提出了多效協(xié)同的強(qiáng)化機(jī)理:1)位錯(cuò)平面滑移導(dǎo)致滑移帶細(xì)化和帶形成,2)形變孿晶,3)多晶結(jié)構(gòu)。這些形變亞結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)共同限制了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),促進(jìn)基體內(nèi)位錯(cuò)密度的不均勻,從而增強(qiáng)了應(yīng)變硬化。低沖擊載荷（0.5 J）下,時(shí)效后實(shí)驗(yàn)65mn錳鋼板耐磨性更好,磨損百分比更低（0.55%～0.57%）。
本文意在解決高錳鋼在低應(yīng)力條件下耐磨性較差的缺點(diǎn),同時(shí)滿足其在高應(yīng)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(jìn)行時(shí)效處理后的組織與性能的演變,探明Ti元素的添加以及時(shí)效處理對于FeCoNiCrMn系高熵合金涂層組織與性能的影響,為后續(xù)在高錳鋼表面制備出能夠承受高低應(yīng)沖擊高熵合金耐磨涂層提供參考。
試驗(yàn)結(jié)果表明:FeCoNiCrMnTix高熵合金涂層在熔覆后表層晶粒結(jié)構(gòu)為等軸晶,同時(shí)有少量共晶組織產(chǎn)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(shí)效后熔覆層整體的等軸晶增多,相應(yīng)的樹枝晶和胞狀晶有所減少。熔覆后FeCoNiCrMnTix的物相構(gòu)成比較單一穩(wěn)定,65mn冷軋鋼板當(dāng)x=0的時(shí)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(dāng)Ti元素加入后,有BCC相Co3Ti產(chǎn)生,且新相Co3Ti的峰值也隨Ti元素的增多而提高。在時(shí)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(gè)試樣的硬度從熔覆層到熱影響區(qū)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(shí)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(shí)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(shí)效處理后FeCoNiCrMnTi0.5高熵合金涂層的 硬度值為469.7HV。
日益增長的節(jié)能環(huán)保要求正不斷推動(dòng)著汽車輕量化進(jìn)程,相較鎂鋁等輕質(zhì)材料,65錳冷軋鋼板汽車用鋼面臨著全流程綠色生產(chǎn)、高強(qiáng)高塑及優(yōu)良成形性等多方面的挑戰(zhàn)。
以中錳鋼和淬火&配分（Q&P）鋼為典型代表的第三代先進(jìn)高強(qiáng)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(guān)鍵相——亞穩(wěn)態(tài)殘留奧氏體的設(shè)計(jì)出發(fā),結(jié)合中錳鋼的奧氏體逆轉(zhuǎn)變退火（ART）工藝及Q&P工藝,設(shè)計(jì)并制備了具有高殘留奧氏體含量的超高強(qiáng)含鋁中錳鋼,系統(tǒng)性探索殘留奧氏體含量、形態(tài)、尺寸及周圍基體相的分布與其相變誘導(dǎo)塑性（TRIP）效應(yīng)的相互關(guān)系,實(shí)現(xiàn)低成本、簡工序的超高強(qiáng)（抗拉強(qiáng)度>1300MPa,強(qiáng)塑積>35GPa·%）含鋁中錳鋼的組織調(diào)控及強(qiáng)韌化機(jī)制研究。低成本無合金元素的“C-Si-Mn-Al”系成分設(shè)計(jì)及短工序低能耗的制備流程為汽車輕量化提供了優(yōu)質(zhì)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(diào)控中錳系鋼的臨界區(qū)溫度及工藝窗口,實(shí)現(xiàn)高65mn錳冷軋鋼板強(qiáng)度的基體組織設(shè)計(jì),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(shù)及相分析手段,結(jié)合原位變形技術(shù)系統(tǒng)性分析超高強(qiáng)含鋁中錳鋼的多元復(fù)合組織構(gòu)成、應(yīng)變協(xié)調(diào)性及強(qiáng)韌化機(jī)制;同時(shí)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(xué)動(dòng)力學(xué)軟件及原子探針層析術(shù)（APT）等深層次揭示觀元素配分規(guī)律;合理調(diào)控臨界區(qū)奧氏體化溫度、加熱速率、65mn錳冷軋鋼板壓下率等工藝參數(shù),實(shí)現(xiàn)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(tái)及PLC塑性失穩(wěn)現(xiàn)象。
近年來,中65錳鋼板因具有優(yōu)異的強(qiáng)塑積且兼顧了經(jīng)濟(jì)性與工業(yè)可行性而成為了第三代汽車用鋼中的一個(gè)研究熱點(diǎn),如何進(jìn)一步提高其力學(xué)性能是人們研究的重點(diǎn)之一。
基于此,本文在傳統(tǒng)中錳鋼研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種V合金化中錳鋼并對其進(jìn)行了熱軋、冷軋、溫軋及隨后的兩相區(qū)退火處理,較為系統(tǒng)地研究了實(shí)驗(yàn)鋼在不同軋制狀態(tài)及不同退火溫度下的觀組織和力學(xué)性能變化規(guī)律,探討了V合金化對中錳鋼強(qiáng)度的影響。得到的主要結(jié)果如下:本文通過研究熱軋+兩相區(qū)退火（625℃-800℃）處理的實(shí)驗(yàn)鋼組織與力學(xué)性能,得出的結(jié)果表明:實(shí)驗(yàn)鋼組織主要為長條狀δ-鐵素體、板條狀的α-鐵素體+殘余奧氏體（Retained austenite,RA）以及大量細(xì)小彌散的VC析出相。對于625℃和750℃的兩相區(qū)退火試樣,VC的析出強(qiáng)化增量分別為-347 MPa和-234 MPa;隨著退火溫度（Intercritical annealing temperature,TIA）的,65錳冷軋鋼板VC析出相尺寸增大和RA板條粗化引起了屈服強(qiáng)度的顯著降低。
隨著TIA的,RA含量先增加后降低,穩(wěn)定性持續(xù)降低,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)鋼的強(qiáng)塑積先增加后降低;當(dāng)TIA為725℃時(shí),可獲得高達(dá)-50GPa·%的強(qiáng)塑積,并且屈服強(qiáng)度達(dá)到890 MPa,從而具有優(yōu)異的強(qiáng)塑性配合。通過研究冷軋+兩相區(qū)退火（650℃-800℃）處理的實(shí)驗(yàn)鋼組織與力學(xué)性能,其結(jié)果表明:冷軋退火態(tài)實(shí)驗(yàn)鋼的組織主要為長條狀δ-鐵素體、等軸狀α-鐵素體+RA以及大量細(xì)小彌散的VC析出相。65mn錳冷軋鋼板其中,當(dāng)TIA較低時(shí),組織中存在少量板條狀組織;隨著TIA升高,板條狀組織逐漸消失,等軸狀組織逐漸增多。此外,隨著TIA的升高,RA含量逐漸增加而RA穩(wěn)定性持續(xù)降低,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)鋼的強(qiáng)塑積先增加后降低。其中,當(dāng)TIA為700℃時(shí),獲得高達(dá)-52.6GPa·%的強(qiáng)塑積。通過研究溫軋以及溫軋+兩相區(qū)退火（650℃-800℃）處理的實(shí)驗(yàn)鋼組織與力學(xué)性能,其結(jié)果表明:溫軋?jiān)紤B(tài)及溫軋+退火態(tài)實(shí)驗(yàn)鋼的組織均為δ-鐵素體、板條狀與少量等軸狀共存的α-鐵素體+RA以及大量細(xì)小彌散VC析出相。當(dāng)TIA為650-750℃時(shí),其強(qiáng)塑積均能保持在50 GPa·%以上,這表明溫軋?zhí)幚硎箤?shí)驗(yàn)鋼具有較寬的熱處理工藝窗口。因此,溫軋?zhí)幚碛锌赡艹蔀橐环N簡化傳統(tǒng)中錳鋼生產(chǎn)應(yīng)用的新方法。
