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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。
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)。
汽車工業(yè)的快速發(fā)展對汽車用鋼提出了更高要求,中錳相變誘導(dǎo)塑性（TRIP）鋼作為第三代汽車用先進高強鋼,由于其的機械性能、相對低廉的成本、65錳鋼板易加工性和輕量化等優(yōu)勢成為了研究熱點。通過調(diào)控中錳鋼的結(jié)構(gòu)、熱處理工藝和軋制工藝,提高其綜合機械性能與服役性能,是中錳鋼實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。65mn錳冷軋鋼板本文在Fe-6Mn-0.2C-3Al中錳鋼的基礎(chǔ)上,通過添加量（0.6wt.%）Si元素（試樣分別被標記為0Si和0.6Si）以調(diào)控其成分和結(jié)構(gòu)。材料經(jīng)65mn錳冷軋鋼板熱軋之后,系統(tǒng)的研究了臨界退火時間、應(yīng)變速率、熱處理工藝和軋制工藝等對材料的機械性能和氫脆性能的影響。
獲得以下主要結(jié)論:（1）熱軋板在740℃下臨界退火3～120min不等,退火時間對結(jié)構(gòu)、機械性能和斷裂行為的研究表明:0Si的結(jié)構(gòu)為超細晶奧氏體和α-鐵素體。0.6Si的結(jié)構(gòu)中既存在超細晶奧氏體和α-鐵素體,也存在大量粗晶粒δ-鐵素體,且在退火過程中,δ-鐵素體的硬度急劇下降。短時間退火時,0.6Si的機械性能稍低于0Si試樣,如下:退火3～7min時,0Si和0.6Si對應(yīng)的強塑積分別為13.8～37.9GPa·%17.1～25.3GPa·%。長時間退火時,0.6Si的機械性能遠高于0Si試樣,如下:退火30～60min時,0Si和0.6Si對應(yīng)的強塑積分別為 38.6～31.8GPa·%和 58.2～55.6GPa·%。0Si的裂紋主要于γ（α’）/α界面處形核,0.6Si的裂紋主要于γ（α’）/α和（γ（α’）+α）/δ界面處形核。65mn錳冷軋鋼板當δ-鐵素體的硬度高于奧氏體和α-鐵素體時,0.6Si的裂紋優(yōu)先沿著（γ（α’）+α）/δ界面擴展,形成平行于拉伸方向的大量裂紋,并造成斷口分層;當δ-鐵素體的硬度遠低于奧氏體和α-鐵素體時,0.6Si的裂紋優(yōu)先穿過γ（α’）/α結(jié)構(gòu),形成垂直于拉伸方向的大量裂紋,當其擴展至較軟δ-鐵素體時,發(fā)生止裂。
圓錐破碎機是礦山行業(yè)中的一個關(guān)鍵設(shè)備65錳冷軋鋼板,其工作環(huán)境復(fù)雜且工作量巨大,因此設(shè)置耐磨襯板來保護圓錐破碎機的機體結(jié)構(gòu),作為該設(shè)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(chǎn)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(fā)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?；诖?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(shè)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(fù)相耐磨鑄鋼。研究了貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼的相變規(guī)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(nèi)均可發(fā)生馬氏體相變,在5℃/s～0.05℃/s的冷速范圍內(nèi)均能夠獲得一定含量的貝氏體組織。確定了貝-馬復(fù)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(shù)對貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼力學性能和顯組織的影響規(guī)律,結(jié)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(jié)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(fù)相耐磨鑄鋼和Mn13Cr2的耐磨性,結(jié)果表明:貝-馬復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(jié)和堆垛層錯。
