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傳統(tǒng)高65mn錳鋼板（Hadfield鋼）在室溫下能獲得單相奧氏體,具有優(yōu)良的加工硬化能力和抗沖擊能力,因此廣泛用作沖擊載荷下的耐磨材料。然而較低的屈服強(qiáng)度和初始硬度,導(dǎo)致材料在低沖擊載荷下不能完全發(fā)揮其耐磨性就發(fā)生塑性變形,降低了使用壽命。本文設(shè)計(jì)出一種輕質(zhì)超高錳鋼（Fe-31.6Mn-8.8A1-1.38C）,具有低密度、高屈服強(qiáng)度、高初始硬度、良好沖擊韌性等特點(diǎn),適用于低沖擊載荷下的磨損條件。通過(guò)研究時(shí)效處理后的相轉(zhuǎn)變、壓縮變形、沖擊磨損分析了實(shí)驗(yàn)鋼的強(qiáng)化機(jī)理和磨損機(jī)理。
實(shí)驗(yàn)鋼經(jīng)1050℃保溫1.5h水韌處理后獲得單相奧氏體,65錳冷軋鋼板時(shí)效后奧氏體基體會(huì)彌散析出納米級(jí)別的κ’-碳化物,有助于屈服強(qiáng)度和初始硬度。在550℃時(shí)效2h綜合力學(xué)性能65錳鋼板佳,與僅水韌處理相比屈服強(qiáng)度提高107.4%,初始硬度提高28.7%,其抗拉強(qiáng)度為1041.7 MPa、屈服強(qiáng)度為1002.7 MPa、斷后伸長(zhǎng)率為17.6%、沖擊韌性（V型缺口）為62 J/cm2和硬度為268.5 HB。隨著時(shí)效溫度升高（550℃～900℃）相轉(zhuǎn)變的順序?yàn)?κ’→納米-κ’+β-Mn→亞米-κ’+β-Mn+α→納米-κ’。其中四種類(lèi)型的κ相析出涉及尺寸、形貌和分布被總結(jié),包括晶內(nèi)型:納米-κ’（<50nm）,亞米-κ’（>100nm）。
晶間型:κ*（～1μm）。以及片層狀κ,存在α+κ群落中。在550℃時(shí)效下,納米-κ’能促進(jìn)β-Mn沿晶界析出,不需要借助α相;而在700℃和800℃長(zhǎng)時(shí)間時(shí)效下,由于α相的大量析出,其形成主要借助于γ→α反應(yīng)。通過(guò)納米壓痕測(cè)試,獲得了不同時(shí)效溫度下基體與析出相的納米硬度。計(jì)算得到理論層錯(cuò)能（SFE）為82.3 mJ/m2,由于平面滑移軟化效應(yīng),變形模式以位錯(cuò)平面滑動(dòng)為主,隨著變形量的增加,主要的亞結(jié)構(gòu)演變順序?yàn)?平面位錯(cuò)隊(duì)列→平面位錯(cuò)配置（偶極子和Lomer-Cottrell鎖）→泰勒晶格→帶。65錳冷軋鋼板本研究利用壓縮變形,觀察到了高層錯(cuò)能下被抑制的形變孿晶以及一種多晶結(jié)構(gòu)。通過(guò)分析理論臨界孿生應(yīng)力（σT）,當(dāng)外加應(yīng)力大于σT,形變孿晶出現(xiàn)。多晶結(jié)構(gòu)內(nèi)部以位錯(cuò)纏結(jié)為主,通過(guò)波狀滑移形成了位錯(cuò)胞。并提出了多效協(xié)同的強(qiáng)化機(jī)理:1)位錯(cuò)平面滑移導(dǎo)致滑移帶細(xì)化和帶形成,2)形變孿晶,3)多晶結(jié)構(gòu)。這些形變亞結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)共同限制了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),促進(jìn)基體內(nèi)位錯(cuò)密度的不均勻,從而增強(qiáng)了應(yīng)變硬化。低沖擊載荷（0.5 J）下,時(shí)效后實(shí)驗(yàn)65mn錳鋼板耐磨性更好,磨損百分比更低（0.55%～0.57%）。
隨著汽車(chē)輕量化戰(zhàn)略的實(shí)施及汽車(chē)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(kāi)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(jí)以上。
在開(kāi)發(fā)中錳鋼等第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼的過(guò)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(guò)程中,亞穩(wěn)奧氏體及其穩(wěn)定性會(huì)影響回彈等成形方面的問(wèn)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(jí)的高強(qiáng)塑中錳鋼為研究對(duì)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(guò)程亞穩(wěn)奧氏體發(fā)生的相變行為以及亞穩(wěn)奧氏體對(duì)彎曲回彈的影響, 基于奧氏體特征建立了回彈預(yù)測(cè)模型,實(shí)現(xiàn)了中錳鋼回彈行為的高精度預(yù)測(cè)。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(guò)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(cuò),部分奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體;鐵素體內(nèi)部幾何必要位錯(cuò)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(cuò)隨著應(yīng)變速率的增加呈現(xiàn)逐漸稀疏的趨勢(shì)。結(jié)合熱動(dòng)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(shí),奧氏體的層錯(cuò)能由9.8 mJ/m2升高至18.7mJ/m2,層錯(cuò)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(shí)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(dòng)力降低,也是奧氏體穩(wěn)定性上升的原因。通過(guò)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。
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2）選取機(jī)械性能 的兩種材料65mn錳冷軋鋼板0Si退火10min試樣、0.6Si退火30min試樣）,在1×10-4/s～1×10-1/s的應(yīng)變速率下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),機(jī)械性能和斷裂行為的研究表明:隨著應(yīng)變速率的增加,由于TRIP效應(yīng)被抑制,0Si和0.6Si的抗拉強(qiáng)度和延伸率均大幅度降低,且0.6Si的延伸率降低的更快,比如:0Si的延伸率由44%下降至33%,0.6Si的延伸率由55%下降至35%。隨著應(yīng)變速率的增加,0Si的斷面收縮率基本不變（約為70%）,0.6Si的斷面收縮率大約由51%增加至72%。應(yīng)變速率并未影響0Si和0.6Si的斷裂行為。然而,隨著應(yīng)變速率的降低,表面裂紋的形核數(shù)量增加,擴(kuò)展速率降低;斷口的韌窩尺寸降低,二次裂紋數(shù)量和尺寸增加。
（3）選取四種材料（0Si和0.6Si均退火3min和30min試樣）,65錳鋼板系統(tǒng)的研究了成分和退火時(shí)間對(duì)氫脆性能和氫致斷裂行為的影響。關(guān)于退火時(shí)間:隨著退火時(shí)間的增加,0Si和0.6Si的氫脆敏感性均呈現(xiàn)上升趨勢(shì),比如:當(dāng)退火3min時(shí),0Si/0.6Si的塑性損失和強(qiáng)度損失分別為13.5%/46.7%和0.0%/1.7%;當(dāng)退火30min時(shí),0Si/0.6Si的塑性損失和強(qiáng)度損失分別為79.2%/76.5%和26.8%/6.3%。關(guān)于成分:退火3min時(shí),0Si的氫脆敏感性較低;退火30min時(shí),0.6Si的氫脆敏感性較低。相比空拉斷裂行為而言,氫原子促進(jìn)裂紋更容易形核與擴(kuò)展,進(jìn)而導(dǎo)致材料提前斷裂。對(duì)于0Si:裂紋形核與氫原子無(wú)關(guān),但是,氫致裂紋呈沿晶和穿晶擴(kuò)展。對(duì)于0.6Si:裂紋形核與擴(kuò)展與氫原子無(wú)關(guān),斷口則由細(xì)小的韌窩變?yōu)榇嘈詼?zhǔn)解理。
5）在不劣化市售馬氏體材料（S0）65mn錳冷軋鋼板機(jī)械性能的基礎(chǔ)上,二次回火不同時(shí)間（30min,60min,120min）,試樣分別記為 S30、S60 和 S120,發(fā)現(xiàn),二次回火工藝可以有效地提高其抗氫脆性能,如下:S0和S60的塑性損失和強(qiáng)度損失分別為100.0%/79.3%和35.9%/1.7%。二次回火試樣抗氫脆性能高的原因如下:1、不可逆氫陷阱MoyCx析出物的長(zhǎng)大;2、滲碳體/基體界面的增加;滲碳體/基體應(yīng)變界面具有較高的陷阱能;3、位錯(cuò)密度的降低。
