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作為新型超低溫用鋼,65錳鋼板高錳奧氏體鋼因的力學性能和經(jīng)濟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性能和觀組織進行了詳細的分析。力學性能分析結(jié)果顯示,熔敷金屬的屈服強度為323～495MPa,抗拉強度為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度為468～489MPa,抗拉強度為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性能,焊接材料與高錳低溫鋼匹配性較好。
結(jié)果表明,65錳鋼板當變形方式由簡單剪切變?yōu)閱蜗蚶煸僮優(yōu)槠矫鎽?yīng)變 變?yōu)榈入p拉時,奧氏體的穩(wěn)定性逐漸下降。通過EBSD觀察發(fā)現(xiàn),不同變形方式下,隨著應(yīng)變量的增加,奧氏體逐漸發(fā)生畸變,部分奧氏體發(fā)生馬氏體相變,鐵素體內(nèi)部幾何必要位錯密度增加。結(jié)合織構(gòu)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?yōu)槠矫鎽?yīng)變再變?yōu)榈入p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(dǎo)致奧氏體的穩(wěn)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(chǎn)生的相變驅(qū)動力較小,導(dǎo)致簡單剪切變形時奧氏體的穩(wěn)定性較高。以奧氏體在不同應(yīng)變速率和變形方式下的穩(wěn)定性為理論依據(jù),利用彎曲回彈實驗研究了成形工藝參數(shù)對中錳鋼回彈行為的影響。
結(jié)果表明,彎曲變形后中錳鋼厚度方向上發(fā)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(nèi)層區(qū)域的變形程度較低,導(dǎo)致發(fā)生馬氏體相變的奧氏體體積分數(shù)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(nèi)層區(qū)域的變形程度增加,使得發(fā)生馬氏體相變的奧氏體體積分數(shù)增加以及幾何必要位錯密度增加,導(dǎo)致加工硬化增加,從而中錳鋼的回彈角增加。當凹模跨距增加時,彎曲內(nèi)層區(qū)域和外層區(qū)域的變形均降低,使得發(fā)生馬氏體相變的奧氏體體積分數(shù)及幾何必要位錯密度呈現(xiàn)減弱趨勢。在相同的總變形條件下,凹模跨距的增加,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(qū)退火工藝和軋制方式研究了奧氏體體積分數(shù)和織構(gòu)對中錳鋼彎曲回彈的影響。結(jié)果表明,奧氏體體積分數(shù)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(shù)的兩相區(qū)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(dǎo)致回彈角的變化。在不同的奧氏體織構(gòu)條件下,中錳鋼的彈性模量隨著含<111>的織構(gòu)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(gòu)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。考慮奧氏體體積分數(shù)和織構(gòu)對彈性模量影響的有限元仿真模型,能夠更地預(yù)測實驗用中錳鋼的回彈行為,其預(yù)測的回彈角更接近實驗測定的回彈角。
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相應(yīng)的研究結(jié)果分別如下:相圖計算及膨脹儀熱模擬結(jié)果表明,65mn錳冷軋鋼板Al元素有效拓寬了臨界區(qū)溫度工藝窗口;DICTRA軟件對具有相同平衡態(tài)兩相比例臨界區(qū)奧氏體化過程的元素配分模擬顯示Al元素的添加顯著了合金元素（尤其是有利于錳鋁等置換元素）的擴散效率,有助于殘留奧氏體中碳錳元素的富集與穩(wěn)定;高鋁添加導(dǎo)致δ鐵素體存留至室溫,降低了含鋁中錳TRIP鋼抗拉強度的同時了PLC現(xiàn)象;原位拉伸SEM中δ鐵素體內(nèi)大量交錯的位錯滑移帶證明了其良好的應(yīng)變協(xié)調(diào)性。
臨界區(qū)奧氏體化溫度通過調(diào)控臨界區(qū)奧氏體比例實現(xiàn)含鋁中錳鋼的多元強度級別設(shè)計。相較含鋁中錳TRIP鋼而言,以回火馬氏體組織為主要基體“骨架”的含鋁中錳IQ-TP鋼展現(xiàn)出更高的屈服強度;XRD和APT檢測到殘留奧氏體內(nèi)的碳錳元素富集、相界面處錳鋁元素的偏聚等現(xiàn)象證明了回火配分階段合金元素的局部平衡（LE）。65錳冷軋鋼板IQ--TP工藝下臨界區(qū)奧氏體化及回火過程兩階段的元素配分促進了殘留奧氏體碳錳元素的富集,同時回火馬氏體組織切割細化了殘留奧氏體晶粒進一步增加了其穩(wěn)定性,
65錳鋼板因而含鋁中錳IQ-TP鋼表現(xiàn)出優(yōu)異的力學性能。以4Mn1Al鋼為例,其熱軋IQ-TP鋼,抗拉強度達1425±43MPa,同時延伸率25.9±3.8%,均明顯優(yōu)于含鋁中錳TRIP鋼抗拉強度1345MPa,延伸率18.9%的 力學性能。而4Mn2Al熱軋IQ-TP鋼抗拉強度達1319±39MPa,延伸率27.4±1.1%。膨脹儀組織熱模擬及EPMA成分分析證實了含鋁中錳TRIP鋼冷軋退火組織的異常長大現(xiàn)象受控于錳鋁元素偏析下關(guān)鍵溫度區(qū)間的加熱速率。富Al貧Mn區(qū)抑制了奧氏體的形核,慢加熱速率為形變馬氏體的再結(jié)晶行為及晶粒長大提供了充分的動力學條件。超細晶冷軋含鋁中錳TRIP鋼由于其較小的位錯運動平均自由程,具有明顯的屈服平臺。異常長大的鐵素體帶提供了應(yīng)變初期較高的加工硬化率,有利于縮短材料的屈服平臺延伸率。而含鋁中錳IQ-TP鋼由于馬氏體組織及幾何必要位錯的存在呈現(xiàn)出連續(xù)屈服特征。含鋁中錳IQ-TP鋼的塑性主要源于軟相板條形態(tài)鐵素體的“潤滑劑”效應(yīng)以及殘留奧氏體的持續(xù)性TRIP效應(yīng)。
