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熔敷金屬組織類型、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(qiáng)度為468～489MPa,抗拉強(qiáng)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(xué)性能,焊接材料與高錳低溫鋼匹配性較好。

隨著汽車輕量化戰(zhàn)略的實(shí)施及汽車行業(yè)需求的變化,高強(qiáng)度高塑性的先進(jìn)高強(qiáng)鋼被開發(fā)及應(yīng)用。65錳鋼板尤其是以中錳鋼等鋼種為代表的第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼兼顧成本及性能,在低制造成本的前提下,其強(qiáng)塑積能達(dá)到30 GPa-%級以上。

 在開發(fā)中錳鋼等第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼的過程中,亞穩(wěn)奧氏體及其穩(wěn)定性被認(rèn)為是影響鋼材優(yōu)異力學(xué)性能的關(guān)鍵因素;在應(yīng)用中錳鋼等鋼種的過程中,亞穩(wěn)奧氏體及其穩(wěn)定性會影響回彈等成形方面的問題,因此需要深入研究。65mn錳冷軋鋼板本文以強(qiáng)塑積為30 GPa-%級的高強(qiáng)塑中錳鋼為研究對象,分析了組織中亞穩(wěn)奧氏體在不同應(yīng)變速率和不同變形方式下的穩(wěn)定性;并以此為理論依據(jù),探討了彎曲變形過程亞穩(wěn)奧氏體發(fā)生的相變行為以及亞穩(wěn)奧氏體對彎曲回彈的影響, 基于奧氏體特征建立了回彈預(yù)測模型,實(shí)現(xiàn)了中錳鋼回彈行為的高精度預(yù)測。本文的主要工作和結(jié)論如下:利用高速拉伸實(shí)驗(yàn)及數(shù)字圖像關(guān)聯(lián)技術(shù)（Digital image correlation,DIC）研究了不同應(yīng)變速率下亞穩(wěn)奧氏體的穩(wěn)定性。

  結(jié)果表明,在應(yīng)變速率為10-3s-1至5×101s-1范圍內(nèi),奧氏體穩(wěn)定性隨著應(yīng)變速率的增加而增加。通過EBSD和TEM觀察發(fā)現(xiàn),不同應(yīng)變速率下,高強(qiáng)塑中錳鋼觀組織的演變規(guī)律基本保持一致,即奧氏體隨著應(yīng)變量的增加逐漸發(fā)生畸變,其內(nèi)部產(chǎn)生層錯,部分奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體;鐵素體內(nèi)部幾何必要位錯密度隨著應(yīng)變量的增加而顯著增加,并形成高密度的小角度晶界;奧氏體晶粒內(nèi)的層錯隨著應(yīng)變速率的增加呈現(xiàn)逐漸稀疏的趨勢。結(jié)合熱動力學(xué)計(jì)算及觀組織分析,65mn錳冷軋鋼板在應(yīng)變速率由10-3 s-1增加至5×101s-1時,奧氏體的層錯能由9.8 mJ/m2升高至18.7mJ/m2,層錯能的升高抑制了奧氏體的轉(zhuǎn)變,增加了奧氏體穩(wěn)定性;同時應(yīng)變速率增加導(dǎo)致發(fā)生相變的臨界能量升高以及相變驅(qū)動力降低,也是奧氏體穩(wěn)定性上升的原因。通過板材成形實(shí)驗(yàn)及DIC技術(shù)研究了不同變形方式下亞穩(wěn)奧氏體的穩(wěn)定性。

相應(yīng)的研究結(jié)果分別如下:相圖計(jì)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(kuò)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)含鋁中錳鋼的多元強(qiáng)度級別設(shè)計(jì)。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(qiáng)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(jìn)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(xì)化了殘留奧氏體晶粒進(jìn)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(xué)性能。以4Mn1Al鋼為例,其熱軋IQ-TP鋼,抗拉強(qiáng)度達(dá)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(qiáng)度1345MPa,延伸率18.9%的 力學(xué)性能。而4Mn2Al熱軋IQ-TP鋼抗拉強(qiáng)度達(dá)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(shí)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(xué)條件。超細(xì)晶冷軋含鋁中錳TRIP鋼由于其較小的位錯運(yùn)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)。