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。
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%）。
將成形實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與Keeler公式結(jié)合計(jì)算得到材料的成形極限圖,結(jié)果顯示Keeler公式計(jì)算所得成形極限圖與實(shí)測(cè)值較為接近,可用于5Mn鋼的成形極限計(jì)算。65錳冷軋鋼板此外,為了研究剪切工藝對(duì)中錳鋼力學(xué)性能的影響,本文分別采用0.03t、0.05t、0.067t、0.10t、0.12t（t為板料厚度）五種不同間隙進(jìn)行沖裁,發(fā)現(xiàn)間隙為0.03t時(shí)5Mn中錳鋼邊部形貌 ,毛刺小且邊部影響區(qū)淺,力學(xué)性能也為優(yōu)異。0.12t間隙樣對(duì)應(yīng)毛刺 且邊部硬化為嚴(yán)重,因此力學(xué)性能差。為進(jìn)一步探究剪切工藝對(duì)5Mn鋼力學(xué)性能的影響,增加激光及線切割樣進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示激光切割同樣存在邊部硬化情況,但影響區(qū)很窄,對(duì)力學(xué)性能影響極小。
65mn錳冷軋鋼板·線切割對(duì)材料邊部形貌基本無(wú)影響,對(duì)應(yīng)了 力學(xué)性能。后,為探究5Mn鋼的實(shí)際應(yīng)用潛力,進(jìn)行了汽車(chē)零件進(jìn)氣端錐的試制及仿真分析。試制結(jié)果顯示,5Mn鋼可滿足零件現(xiàn)有制造工藝要求,9道工序后未出現(xiàn)開(kāi)裂情況,與現(xiàn)用材料304不銹鋼持平。通過(guò)Autoform軟件進(jìn)行仿真分析,結(jié)合成形極限分布分析,證明中錳鋼成形性能優(yōu)異,總體可滿足零件生產(chǎn)要求。
為了減少馬氏體中錳鋼因韌塑性能不足而產(chǎn)生的開(kāi)裂和磨損失效,本文利用淬火-配分（Q&P）工藝在馬氏體中錳鋼基體中引入一定體積分?jǐn)?shù)殘余奧氏體,借助OM、SEM觀察觀組織形貌,采用TEM、EBSD、XRD等技術(shù)分析殘余奧氏體形貌65錳冷軋鋼板、分布與體積分?jǐn)?shù),使用硬度計(jì)、65錳鋼板拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)試鋼的強(qiáng)韌性能,借助磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試鋼的抗磨損性能。研究了不同冷卻速率對(duì)相變行為的影響,淬火-配分（Q&P）工藝對(duì)組織演變、強(qiáng)度及磨損性能的影響。
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。
眾鑫42crmo冷軋耐磨錳鋼板圓鋼金屬材料(定西市分公司)現(xiàn)在將以客戶為關(guān)注焦點(diǎn)，堅(jiān)持“以可持續(xù)發(fā)展為導(dǎo)向，創(chuàng)新求實(shí)；以滿足 45#特厚板材客戶為永遠(yuǎn)追求，信譽(yù)至上”的企業(yè)宗旨，開(kāi)拓創(chuàng)新，在合作中不斷進(jìn)取，與時(shí)俱進(jìn)，加強(qiáng)改進(jìn)，開(kāi)創(chuàng)更加輝煌的明天。 經(jīng)營(yíng)理念：以人為本，開(kāi)拓創(chuàng)新，持續(xù)改進(jìn)，追求卓越。 質(zhì)量方針：弘揚(yáng)品質(zhì)精神，構(gòu)建完善的 45#特厚板材質(zhì)量管理體系，把品質(zhì)戰(zhàn)略貫穿于公司工作的各個(gè)細(xì)節(jié)中。
隨著預(yù)應(yīng)變量的增加,退火鐵素體中的位錯(cuò)密度明顯65錳鋼板增加,部分穩(wěn)定性差的大尺寸RA首先發(fā)生相變而使得RA量逐漸降低,穩(wěn)定性逐漸提高;抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度逐漸提高,而斷后伸長(zhǎng)率則逐漸降低。熱軋退火實(shí)驗(yàn)鋼具有高的氫脆敏感性,隨著預(yù)應(yīng)變量的增大,氫脆敏感性逐漸增大,以相對(duì)伸長(zhǎng)率損失表征的氫脆敏感性指數(shù)由未變形樣的75.9%提高到15%預(yù)應(yīng)變樣的83.2%。充氫樣SSRT宏觀斷口邊部存在脆性平臺(tái),其斷裂機(jī)制主要為準(zhǔn)解理斷裂,且有較多二次裂紋。
65mn冷軋鋼板退火實(shí)驗(yàn)鋼具有超細(xì)晶等軸狀的退火鐵素體+RA復(fù)相組織,在預(yù)應(yīng)變過(guò)程中發(fā)生了TWIP效應(yīng)和TRIP效應(yīng)并出現(xiàn)不穩(wěn)定的中間相ε-馬氏體。與熱軋退火實(shí)驗(yàn)鋼類(lèi)似,預(yù)應(yīng)變能夠顯著地改變冷軋退火實(shí)驗(yàn)鋼的力學(xué)性能。冷軋退火中錳鋼在拉伸過(guò)程中出現(xiàn)呂德斯帶以及PLC現(xiàn)象。當(dāng)預(yù)應(yīng)變量等于呂德斯帶對(duì)應(yīng)的應(yīng)變時(shí),即預(yù)應(yīng)變量約為3%時(shí),可以使呂德斯帶消失,但預(yù)應(yīng)變對(duì)PLC效應(yīng)則幾乎沒(méi)有影響。這主要與隨著預(yù)應(yīng)變量增加,實(shí)驗(yàn)鋼中位錯(cuò)密度增加、RA穩(wěn)定性提高、形變誘導(dǎo)馬氏體含量增加及形變孿晶的產(chǎn)生等因素有關(guān)。對(duì)于冷軋退火中錳鋼實(shí)驗(yàn)料,隨著預(yù)應(yīng)變量的增加,充氫試樣中的可擴(kuò)散氫含量顯著增加而氫擴(kuò)散系數(shù)降低。與熱軋退火實(shí)驗(yàn)鋼類(lèi)似,冷軋退火實(shí)驗(yàn)鋼同樣表現(xiàn)出顯著的氫脆敏感性,并且隨著預(yù)應(yīng)變量的增加,氫脆敏感性逐漸增大。
65錳鋼板不同預(yù)應(yīng)變量未充氫樣的SSRT斷口呈現(xiàn)典型的韌窩韌性斷裂特征,而充氫預(yù)應(yīng)變樣斷口由近表面的脆性沿晶+準(zhǔn)解理的混合斷裂向心部的韌窩韌性斷裂模式逐漸轉(zhuǎn)變。
