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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(xué)性能和經(jīng)濟(jì)的造價(jià)而具有廣范的應(yīng)用前景。對(duì)高錳奧氏體鋼的工程使用而言,保證焊縫金屬的力學(xué)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(duì)熔敷金屬組織類(lèi)型、機(jī)械穩(wěn)定性和凝固裂紋敏感性的影響等方面考慮,設(shè)計(jì)了一種全奧氏體組織類(lèi)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(jī)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(shí)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(yàn)方法對(duì)熔敷金屬的力學(xué)性能和觀組織進(jìn)行了詳細(xì)的分析。力學(xué)性能分析結(jié)果顯示,熔敷金屬的屈服強(qiáng)度為323～495MPa,抗拉強(qiáng)度為600～732MPa,斷后伸長(zhǎng)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(lèi)型為全奧氏體,呈胞狀樹(shù)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(lèi)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(lèi)型,熔敷金屬在沖擊變形過(guò)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(gè)關(guān)鍵因素,而C元素在一次奧氏體相的偏析則會(huì)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(qiáng)度為468～489MPa,抗拉強(qiáng)度為700～736MPa,斷后伸長(zhǎng)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(xué)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(dāng)變形方式由簡(jiǎn)單剪切變?yōu)閱蜗蚶煸僮優(yōu)槠矫鎽?yīng)變 變?yōu)榈入p拉時(shí),奧氏體的穩(wěn)定性逐漸下降。通過(guò)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(cuò)密度增加。結(jié)合織構(gòu)分析、Schmid因子及外力所做功的計(jì)算可知,變形方式由單向拉伸變?yōu)槠矫鎽?yīng)變?cè)僮優(yōu)榈入p拉時(shí),奧氏體Schmid因子增加,同時(shí)機(jī)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(jiǎn)單剪切變形時(shí),奧氏體Schmid因子較高,而機(jī)械外力所做的功 ,機(jī)械外力產(chǎn)生的相變驅(qū)動(dòng)力較小,導(dǎo)致簡(jiǎn)單剪切變形時(shí)奧氏體的穩(wěn)定性較高。以?shī)W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(shí)驗(yàn)研究了成形工藝參數(shù)對(duì)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?jǐn)?shù)減少及幾何必要位錯(cuò)密度增加趨勢(shì)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?jǐn)?shù)增加以及幾何必要位錯(cuò)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(dāng)凹?？缇嘣黾訒r(shí),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?jǐn)?shù)及幾何必要位錯(cuò)密度呈現(xiàn)減弱趨勢(shì)。在相同的總變形條件下,凹?？缇嗟脑黾?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(guò)改變兩相區(qū)退火工藝和軋制方式研究了奧氏體體積分?jǐn)?shù)和織構(gòu)對(duì)中錳鋼彎曲回彈的影響。結(jié)果表明,奧氏體體積分?jǐn)?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?jǐn)?shù)的兩相區(qū)退火工藝使得中錳鋼具有不同的屈服強(qiáng)度和加工硬化。
65mn錳冷軋鋼板彈性模量、屈服強(qiáng)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(qiáng)度的減弱而降低;同時(shí)其加工硬化能力隨著含<1-10>和<001>的織構(gòu)組分強(qiáng)度的增強(qiáng)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?？紤]奧氏體體積分?jǐn)?shù)和織構(gòu)對(duì)彈性模量影響的有限元仿真模型,能夠更地預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)用中錳鋼的回彈行為,其預(yù)測(cè)的回彈角更接近實(shí)驗(yàn)測(cè)定的回彈角。
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近年來(lái),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(chē)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(duì)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(duì)中錳鋼強(qiáng)度的影響。得到的主要結(jié)果如下:本文通過(guò)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(zhǎng)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(duì)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(guò)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(zhǎng)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(guò)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(jiǎn)化傳統(tǒng)中錳鋼生產(chǎn)應(yīng)用的新方法。
