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%）。

傳統(tǒng)高錳鋼在中低載荷工況下不具有優(yōu)勢(shì),在其基礎(chǔ)上通過(guò)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(bǔ)了其應(yīng)用中存在的不足。

  本文對(duì)比研究了Mn8、Mn15及Mn18三種錳鋼的滑動(dòng)和沖擊磨料磨損性能,分析了磨損機(jī)理。同時(shí)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(fù)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?；瑒?dòng)磨損實(shí)驗(yàn)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(shì),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(dòng)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(dá)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(jī)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(jī)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(shí)驗(yàn)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(shí),Mn18的磨損失重低于Mn8和Mn15;3.5J沖擊功時(shí),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(dá)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(guò)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(cuò)、孿晶及馬氏體,其耐磨強(qiáng)化機(jī)制為馬氏體相變復(fù)合強(qiáng)化機(jī)制。Mn18磨損層亞結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大量位錯(cuò)、孿晶外,未發(fā)現(xiàn)馬氏體相變,但出現(xiàn)Fe-Mn-C原子團(tuán)偏聚區(qū),其強(qiáng)化機(jī)制是通過(guò)位錯(cuò)、孿晶和Fe-Mn-C原子團(tuán)強(qiáng)化

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(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(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。