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果顯示,組織類型為全奧氏體,呈胞狀樹枝晶結構,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。
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。基體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,磨粒基本消失。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。
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結果表明,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? 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。結合織構分析、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)槠矫鎽冊僮優(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)生的相變驅動力較小,導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?？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)和織構對中錳鋼彎曲回彈的影響。結果表明,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致回彈角的變化。在不同的奧氏體織構條件下,中錳鋼的彈性模量隨著含<111>的織構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?？紤]奧氏體體積分數(shù)和織構對彈性模量影響的有限元仿真模型,能夠更地預測實驗用中錳鋼的回彈行為,其預測的回彈角更接近實驗測定的回彈角。
