近年來,中65錳鋼板因具有優(yōu)異的強塑積且兼顧了經(jīng)濟性與工業(yè)可行性而成為了第三代汽車用鋼中的一個研究熱點,如何進一步提高其力學性能是人們研究的重點之一。
基于此,本文在傳統(tǒng)中錳鋼研究的基礎(chǔ)上,設計了一種V合金化中錳鋼并對其進行了熱軋、冷軋、溫軋及隨后的兩相區(qū)退火處理,較為系統(tǒng)地研究了實驗鋼在不同軋制狀態(tài)及不同退火溫度下的觀組織和力學性能變化規(guī)律,探討了V合金化對中錳鋼強度的影響。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℃）處理的實驗鋼組織與力學性能,得出的結(jié)果表明:實驗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,導致實驗鋼的強塑積先增加后降低;當TIA為725℃時,可獲得高達-50GPa·%的強塑積,并且屈服強度達到890 MPa,從而具有優(yōu)異的強塑性配合。通過研究冷軋+兩相區(qū)退火（650℃-800℃）處理的實驗鋼組織與力學性能,其結(jié)果表明:冷軋退火態(tài)實驗鋼的組織主要為長條狀δ-鐵素體、等軸狀α-鐵素體+RA以及大量細小彌散的VC析出相。65mn錳冷軋鋼板其中,當TIA較低時,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,導致實驗鋼的強塑積先增加后降低。其中,當TIA為700℃時,獲得高達-52.6GPa·%的強塑積。通過研究溫軋以及溫軋+兩相區(qū)退火（650℃-800℃）處理的實驗鋼組織與力學性能,其結(jié)果表明:溫軋原始態(tài)及溫軋+退火態(tài)實驗鋼的組織均為δ-鐵素體、板條狀與少量等軸狀共存的α-鐵素體+RA以及大量細小彌散VC析出相。當TIA為650-750℃時,其強塑積均能保持在50 GPa·%以上,這表明溫軋?zhí)幚硎箤嶒炰摼哂休^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)應用的新方法。
日益增長的節(jié)能環(huán)保要求正不斷推動著汽車輕量化進程,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(guān)鍵相——亞穩(wěn)態(tài)殘留奧氏體的設計出發(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(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塑性（TRIP）效應的相互關(guān)系,實現(xiàn)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(diào)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(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,實現(xiàn)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(shù)及相分析手段,結(jié)合原位變形技術(shù)系統(tǒng)性分析超高強含鋁中錳鋼的多元復合組織構(gòu)成、應變協(xié)調(diào)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(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及PLC塑性失穩(wěn)現(xiàn)象。
隨著預應變量的增加,退火鐵素體中的位錯密度明顯65錳鋼板增加,部分穩(wěn)定性差的大尺寸RA首先發(fā)生相變而使得RA量逐漸降低,穩(wěn)定性逐漸提高;抗拉強度與屈服強度逐漸提高,而斷后伸長率則逐漸降低。熱軋退火實驗鋼具有高的氫脆敏感性,隨著預應變量的增大,氫脆敏感性逐漸增大,以相對伸長率損失表征的氫脆敏感性指數(shù)由未變形樣的75.9%提高到15%預應變樣的83.2%。充氫樣SSRT宏觀斷口邊部存在脆性平臺,其斷裂機制主要為準解理斷裂,且有較多二次裂紋。
65mn冷軋鋼板退火實驗鋼具有超細晶等軸狀的退火鐵素體+RA復相組織,在預應變過程中發(fā)生了TWIP效應和TRIP效應并出現(xiàn)不穩(wěn)定的中間相ε-馬氏體。與熱軋退火實驗鋼類似,預應變能夠顯著地改變冷軋退火實驗鋼的力學性能。冷軋退火中錳鋼在拉伸過程中出現(xiàn)呂德斯帶以及PLC現(xiàn)象。當預應變量等于呂德斯帶對應的應變時,即預應變量約為3%時,可以使呂德斯帶消失,但預應變對PLC效應則幾乎沒有影響。這主要與隨著預應變量增加,實驗鋼中位錯密度增加、RA穩(wěn)定性提高、形變誘導馬氏體含量增加及形變孿晶的產(chǎn)生等因素有關(guān)。對于冷軋退火中錳鋼實驗料,隨著預應變量的增加,充氫試樣中的可擴散氫含量顯著增加而氫擴散系數(shù)降低。與熱軋退火實驗鋼類似,冷軋退火實驗鋼同樣表現(xiàn)出顯著的氫脆敏感性,并且隨著預應變量的增加,氫脆敏感性逐漸增大。
65錳鋼板不同預應變量未充氫樣的SSRT斷口呈現(xiàn)典型的韌窩韌性斷裂特征,而充氫預應變樣斷口由近表面的脆性沿晶+準解理的混合斷裂向心部的韌窩韌性斷裂模式逐漸轉(zhuǎn)變。
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(xù)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(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(gòu)成比較單一穩(wěn)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(chǎn)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(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。
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較基體的硬度值有很大。測得高錳鋼基體摩擦系數(shù)在0.9左右,65錳鋼板熔覆后的FeCoNiCrMnTix涂層耐磨性有了一定程度的,且隨著Ti含量的增加,耐磨性隨之,熔覆后的FeCoNiCrMnTix涂層在Ti0.5的情況下摩擦系數(shù)和磨損量達到小值,分別為0.38和10.8mg。
經(jīng)時效處理后的FeCoNiCrMnTix涂層試樣的耐磨性整體上有了很大的,隨著Ti含量的增加,其耐磨性也成的趨勢。65mn錳冷軋鋼板其中時效處理后的FeCoNiCrMnTix涂層在Ti0.5的情況下摩擦系數(shù)和磨損量達到小值,分別為0.13和3.6mg?；w磨痕形貌為大量深且寬的滑溝,摩擦類型為磨粒磨損;熔覆后的涂層磨損形貌主要是較淺的滑溝,滑溝處有少量顆粒,且有層片狀脫落,磨損形式為粘著磨損與磨粒磨損。在時效處理后,磨損形貌有了明顯的改善,滑溝數(shù)量變少且更淺,磨?；鞠?。M13高錳鋼基體的沖擊韌性值經(jīng)實驗測得為148.33J/cm2,熔覆后的試樣沖擊韌性值在175J/cm2左右,相較于基體有所。
800°時效16小時后的試樣沖擊韌性值在155J/cm2左右,相較于時效前的試樣沖擊韌性值略下降,但經(jīng)時效后的不含Ti元素的試樣沖擊韌性值達到了182J/cm2。65錳鋼板高錳鋼基體和熔覆后的涂層斷口都含有大量韌窩,為韌性斷裂;時效處理后除Ti0.5試樣斷口含有解理和韌窩,為脆性斷裂和韌性斷裂之外,其他試樣斷口均由大量韌窩構(gòu)成,為韌性斷裂。整體上FeCoNiCrMnTix較大程度上提高了M13高錳鋼的沖擊韌性。
