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傳統(tǒng)高錳鋼在中低載荷工況下不具有優(yōu)勢,在其基礎(chǔ)上通過降低或增加碳錳元素含量研發(fā)出中錳和超65錳鋼板高錳鋼,在一定程度上彌補了其應(yīng)用中存在的不足。
本文對比研究了Mn8、Mn15及Mn18三種錳鋼的滑動和沖擊磨料磨損性能,分析了磨損機理。同時模擬礦井淋水腐蝕環(huán)境,探討了三種錳鋼的電化學(xué)腐蝕性能,論文得到以下主要結(jié)論:酸性礦井淋水腐蝕條件下,三種錳鋼表現(xiàn)出更負的腐蝕電位,酸性工況下耐腐蝕性能弱于堿性和中性腐蝕環(huán)境。酸、中、堿性礦井淋水腐蝕環(huán)境中,Mn8鋼的開路電位正（65mn錳冷軋鋼板）,極化曲線外推擬合腐蝕電壓 ,腐蝕電流小,且容抗弧半徑小,其耐腐蝕性能優(yōu)于Mn15和Mn18耐磨鋼。滑動磨損實驗表明,三種錳鋼的摩擦系數(shù)均呈現(xiàn)先快速升高,后下降到一定的范圍趨于平穩(wěn)的變化趨勢,低載平均摩擦系數(shù)高于高載。相同磨損工況條件下,Mn8均具有 磨損失重,其抗滑動磨料磨損性能優(yōu)于Mn15和Mn18耐磨鋼。
三種耐磨鋼磨損層硬度分布均呈現(xiàn)梯度變化特征,Mn8磨損亞表層（50mm處）65錳鋼板硬度達到550HV,Mn15和Mn18分別為450HV和510HV,Mn8的加工硬化效果佳,Mn18則優(yōu)于Mn15。三種耐磨鋼干摩擦磨損機理主要表現(xiàn)為粘著磨損,伴有局部區(qū)域的疲勞剝落破壞,石英砂磨料磨損機理主要為磨粒磨損,表現(xiàn)形式為寬且深的犁溝和較大區(qū)域的疲勞剝落。沖擊磨料磨損實驗表明,隨沖擊功的增大,三種錳鋼的加工硬化能力均提高,磨損失重也明顯降低。1.5J沖擊功時,Mn18的磨損失重低于Mn8和Mn15;3.5J沖擊功時,Mn8具有 的磨損失重。Mn8和Mn18亞表層組織具有較高密度的孿晶,亞表層（50mm處）硬度分別達到50HRC和48HRC,其加工硬化效果明顯優(yōu)于Mn15,加工硬化層深度超過1.5mm。三種錳鋼磨損形式主要表現(xiàn)為鑿削磨損和不同程度疲勞剝落磨損。
65錳鋼板Mn8、Mn15磨損層亞結(jié)構(gòu)主要為位錯、孿晶及馬氏體,其耐磨強化機制為馬氏體相變復(fù)合強化機制。Mn18磨損層亞結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大量位錯、孿晶外,未發(fā)現(xiàn)馬氏體相變,但出現(xiàn)Fe-Mn-C原子團偏聚區(qū),其強化機制是通過位錯、孿晶和Fe-Mn-C原子團強化
目前,隨著第三代汽車用現(xiàn)金高強65錳鋼板的開發(fā),越來越多的高品質(zhì)中錳鋼出現(xiàn)。中錳鋼內(nèi)有大量亞穩(wěn)奧氏體組織,在變形過程中伴隨著相變的發(fā)生,能夠提高材料的強度和塑性。但目前科研人員大多聚焦在中錳鋼成分及組織調(diào)控方面,對于中錳鋼實際應(yīng)用鮮有關(guān)注。本文基于原位掃描電鏡觀察,DIC光學(xué)實驗觀察,XRD檢測分析及不同應(yīng)變量樣品的透射電鏡觀察分析研究了5Mn中錳鋼單軸拉伸過程中的變形機理,結(jié)合觀組織表征、力學(xué)性能測試和仿真分析,探索中錳鋼成形性能、強韌化機理及實際生產(chǎn)可行性。
5Mn中錳鋼強塑積可達到30GPa.%以上,基體為鐵素體及奧氏體組織,可能存在冷軋及熱處理引入的少量板條馬氏體,其中奧氏體分為大晶粒和小晶粒兩種類型,大晶粒奧氏體穩(wěn)定性低于小晶粒奧氏體。單軸拉伸過程中,屈服階段奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)變量較少,因此呂德斯應(yīng)變僅為1%左右（遠低于同類中錳鋼）,屈服結(jié)束后較多大晶粒奧氏體發(fā)生相變,20%變形后大量小晶粒奧氏體發(fā)生相變。由于奧氏體晶粒較小,因此相變產(chǎn)生的可動位錯數(shù)量適中,產(chǎn)生連續(xù)傳播的A型PLC帶。部分大晶粒奧氏體在變形過程中出現(xiàn)層錯,其相變過程為奧氏體—ε馬氏體—α’-馬氏體。本文通過埃里克森杯突實驗,擴孔實驗及成形極限實驗研究了5Mn中錳鋼的成形性能。65mn錳冷軋鋼板鋼擁有良好的杯突性能,在光潔區(qū)域杯突值可達到12mm以上。實驗采用激光切割,線切割及沖孔三種預(yù)制孔加工工藝研究制孔工藝對擴孔性能的影響,結(jié)果顯示線切割制孔樣擴孔性能 ,激光切割制孔樣擴孔性能為穩(wěn)定,沖孔樣由于沖孔過程中局部材料存在相變及加工硬化,因此擴孔性能
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(xué)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(xué)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。
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(xué)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(shè)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(xué)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(xué)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(dǎo)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(xué)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(dǎo)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(xué)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(yīng)用的新方法。
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預(yù)硬化以及服役過程中的變形會使得高錳鋼組織性能發(fā)生改變,相應(yīng)的腐蝕性能發(fā)生改變。
本文旨在研究變形對65錳鋼板高錳鋼腐蝕性能的影響,可為其在服役環(huán)境中的腐蝕評價及防護提供參考。依據(jù)變形后高錳鋼組織性能的變化,選取變形量為0%,20%,40%,60%四個有代表性的變形量進行研究。本文以變形量為0%,20%,40%,60%的高錳鋼為研究對象,分別進行電化學(xué)測試、慢應(yīng)變速率拉伸試驗和鹽霧腐蝕實驗。利用金相、XRD、EBSD和TEM表征方法觀察形變對高錳鋼組織結(jié)構(gòu)的影響。利用增重法、極化曲線和電化學(xué)阻抗譜分析方法研究不同變形量的高錳鋼在不同腐蝕條件下的腐蝕行為。結(jié)合SEM對腐蝕后的表面形貌的對比和XRD對銹層成分分析來探究不同腐蝕條件下的腐蝕機理。65mn錳冷軋鋼板研究結(jié)果表明:隨著軋制變形量的增大,位錯密度逐漸提高,形變孿晶數(shù)量逐漸增加。孿晶的生成阻礙了位錯的運動,使得高錳鋼硬度提高;位錯密度隨著軋制變形量增大而提高,位錯密度的提高是影響高錳鋼腐蝕性能的主導(dǎo)因素。位錯密度的提高使得高錳鋼表面處于高度無序的狀態(tài)增強,表面的電子活性增大,不僅為陰陽離子快速傳輸提供更多的通道,還促進滑移臺階的形成與發(fā)展,利于化學(xué)反應(yīng)的進行。
65mn錳冷軋鋼板高錳鋼受拉應(yīng)力和腐蝕性介質(zhì)的共同作用,斷裂方式呈現(xiàn)脆性斷裂,塑韌性受到了損失。應(yīng)力腐蝕敏感性隨著變形量的增大而增大。高錳鋼的基體和銹層產(chǎn)物共同作用影響其耐鹽霧腐蝕的性能,銹層產(chǎn)物主要由?-Fe OOH、?-FeOOH、?-Fe OOH、Fe3O4等組成。變形量大的高錳鋼因鋼基體活性較大和銹層產(chǎn)物中存在更多的具有一定反應(yīng)活性的?-FeOOH和Fe3O4而耐蝕性較差
