汽車工業(yè)的快速發(fā)展對汽車用鋼提出了更高要求,中錳相變誘導(dǎo)塑性（TRIP）鋼作為第三代汽車用先進高強鋼,由于其的機械性能、相對低廉的成本、65錳鋼板易加工性和輕量化等優(yōu)勢成為了研究熱點。通過調(diào)控中錳鋼的結(jié)構(gòu)、熱處理工藝和軋制工藝,提高其綜合機械性能與服役性能,是中錳鋼實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。65mn錳冷軋鋼板本文在Fe-6Mn-0.2C-3Al中錳鋼的基礎(chǔ)上,通過添加量（0.6wt.%）Si元素（試樣分別被標(biāo)記為0Si和0.6Si）以調(diào)控其成分和結(jié)構(gòu)。材料經(jīng)65mn錳冷軋鋼板熱軋之后,系統(tǒng)的研究了臨界退火時間、應(yīng)變速率、熱處理工藝和軋制工藝等對材料的機械性能和氫脆性能的影響。
獲得以下主要結(jié)論:（1）熱軋板在740℃下臨界退火3～120min不等,退火時間對結(jié)構(gòu)、機械性能和斷裂行為的研究表明:0Si的結(jié)構(gòu)為超細(xì)晶奧氏體和α-鐵素體。0.6Si的結(jié)構(gòu)中既存在超細(xì)晶奧氏體和α-鐵素體,也存在大量粗晶粒δ-鐵素體,且在退火過程中,δ-鐵素體的硬度急劇下降。短時間退火時,0.6Si的機械性能稍低于0Si試樣,如下:退火3～7min時,0Si和0.6Si對應(yīng)的強塑積分別為13.8～37.9GPa·%17.1～25.3GPa·%。長時間退火時,0.6Si的機械性能遠高于0Si試樣,如下:退火30～60min時,0Si和0.6Si對應(yīng)的強塑積分別為 38.6～31.8GPa·%和 58.2～55.6GPa·%。0Si的裂紋主要于γ（α’）/α界面處形核,0.6Si的裂紋主要于γ（α’）/α和（γ（α’）+α）/δ界面處形核。65mn錳冷軋鋼板當(dāng)δ-鐵素體的硬度高于奧氏體和α-鐵素體時,0.6Si的裂紋優(yōu)先沿著（γ（α’）+α）/δ界面擴展,形成平行于拉伸方向的大量裂紋,并造成斷口分層;當(dāng)δ-鐵素體的硬度遠低于奧氏體和α-鐵素體時,0.6Si的裂紋優(yōu)先穿過γ（α’）/α結(jié)構(gòu),形成垂直于拉伸方向的大量裂紋,當(dāng)其擴展至較軟δ-鐵素體時,發(fā)生止裂。
預(yù)硬化以及服役過程中的變形會使得高錳鋼組織性能發(fā)生改變,相應(yīng)的腐蝕性能發(fā)生改變。
本文旨在研究變形對65錳鋼板高錳鋼腐蝕性能的影響,可為其在服役環(huán)境中的腐蝕評價及防護提供參考。依據(jù)變形后高錳鋼組織性能的變化,選取變形量為0%,20%,40%,60%四個有代表性的變形量進行研究。本文以變形量為0%,20%,40%,60%的高錳鋼為研究對象,分別進行電化學(xué)測試、慢應(yīng)變速率拉伸試驗和鹽霧腐蝕實驗。利用金相、XRD、EBSD和TEM表征方法觀察形變對高錳鋼組織結(jié)構(gòu)的影響。利用增重法、極化曲線和電化學(xué)阻抗譜分析方法研究不同變形量的高錳鋼在不同腐蝕條件下的腐蝕行為。結(jié)合SEM對腐蝕后的表面形貌的對比和XRD對銹層成分分析來探究不同腐蝕條件下的腐蝕機理。65mn錳冷軋鋼板研究結(jié)果表明:隨著軋制變形量的增大,位錯密度逐漸提高,形變孿晶數(shù)量逐漸增加。孿晶的生成阻礙了位錯的運動,使得高錳鋼硬度提高;位錯密度隨著軋制變形量增大而提高,位錯密度的提高是影響高錳鋼腐蝕性能的主導(dǎo)因素。位錯密度的提高使得高錳鋼表面處于高度無序的狀態(tài)增強,表面的電子活性增大,不僅為陰陽離子快速傳輸提供更多的通道,還促進滑移臺階的形成與發(fā)展,利于化學(xué)反應(yīng)的進行。
65mn錳冷軋鋼板高錳鋼受拉應(yīng)力和腐蝕性介質(zhì)的共同作用,斷裂方式呈現(xiàn)脆性斷裂,塑韌性受到了損失。應(yīng)力腐蝕敏感性隨著變形量的增大而增大。高錳鋼的基體和銹層產(chǎn)物共同作用影響其耐鹽霧腐蝕的性能,銹層產(chǎn)物主要由?-Fe OOH、?-FeOOH、?-Fe OOH、Fe3O4等組成。變形量大的高錳鋼因鋼基體活性較大和銹層產(chǎn)物中存在更多的具有一定反應(yīng)活性的?-FeOOH和Fe3O4而耐蝕性較差
2）選取機械性能 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)變速率下進行實驗,機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間對氫脆性能和氫致斷裂行為的影響。關(guān)于退火時間:隨著退火時間的增加,0Si和0.6Si的氫脆敏感性均呈現(xiàn)上升趨勢,比如:當(dāng)退火3min時,0Si/0.6Si的塑性損失和強度損失分別為13.5%/46.7%和0.0%/1.7%;當(dāng)退火30min時,0Si/0.6Si的塑性損失和強度損失分別為79.2%/76.5%和26.8%/6.3%。關(guān)于成分:退火3min時,0Si的氫脆敏感性較低;退火30min時,0.6Si的氫脆敏感性較低。相比空拉斷裂行為而言,氫原子促進裂紋更容易形核與擴展,進而導(dǎo)致材料提前斷裂。對于0Si:裂紋形核與氫原子無關(guān),但是,氫致裂紋呈沿晶和穿晶擴展。對于0.6Si:裂紋形核與擴展與氫原子無關(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錳冷軋鋼板機械性能的基礎(chǔ)上,二次回火不同時間（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、位錯密度的降低。
隨著預(yù)應(yīng)變量的增加,退火鐵素體中的位錯密度明顯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;抗拉強度與屈服強度逐漸提高,而斷后伸長率則逐漸降低。熱軋退火實驗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,以相對伸長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,其斷裂機制主要為準(zhǔn)解理斷裂,且有較多二次裂紋。
65mn冷軋鋼板退火實驗鋼具有超細(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。與熱軋退火實驗鋼類似,預(yù)應(yīng)變能夠顯著地改變冷軋退火實驗鋼的力學(xué)性能。冷軋退火中錳鋼在拉伸過程中出現(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應(yīng)的應(yīng)變時,即預(yù)應(yīng)變量約為3%時,可以使呂德斯帶消失,但預(yù)應(yīng)變對PLC效應(yīng)則幾乎沒有影響。這主要與隨著預(yù)應(yīng)變量增加,實驗鋼中位錯密度增加、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)。對于冷軋退火中錳鋼實驗料,隨著預(yù)應(yīng)變量的增加,充氫試樣中的可擴散氫含量顯著增加而氫擴散系數(shù)降低。與熱軋退火實驗鋼類似,冷軋退火實驗鋼同樣表現(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。
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3）65錳冷軋鋼板o熱軋實驗鋼佳臨界退火+淬火和配分（IA&QP）工藝參數(shù)為760℃臨界區(qū)退火30min,180℃等溫淬火10s并在350℃等溫配分180s。該工藝下熱軋實驗鋼展現(xiàn)出了 力學(xué)性能,即抗拉強度1231MPa,伸長率24.8%,強塑積可達30.5GPa·%。IA&QP工藝處理后4Mn-Nb-Mo熱軋實驗鋼的抗拉強度均超過了 1024MPa,但伸長率和RA含量不高。
（4）采用新型循環(huán)淬火和奧氏體逆相變（CQ-ART）65錳鋼板工藝處理后的4Mn-Nb-Mo冷軋實驗鋼,晶粒尺寸得到了明顯的細(xì)化,同時RA含量顯著提高。兩次循環(huán)淬火后的CQ2-ART冷軋試樣具有高RA含量（62.0%）、佳晶粒尺寸（0.40μm）以及穩(wěn)定性;這為RA在變形期間TRIP效應(yīng)的產(chǎn)生提供了有力的保證。終CQ2-ART試樣獲得了 綜合性能,即抗拉強度為838MPa,伸長率為90.8%,強塑積達到76.1GPa·%。（5）研究4Mn-Nb-Mo和5Mn-Nb-Mo實驗鋼奧氏體穩(wěn)定性因素,發(fā)現(xiàn)Mn元素的含量是影響其穩(wěn)定性的主要因素。不同晶粒尺寸和Mn含量的RA具有不同等級的RA穩(wěn)定性。實驗鋼RA中存在明顯的Mn配分行為,進而導(dǎo)致RA具有不同級別的穩(wěn)定性,也因此表現(xiàn)出不同的加工硬化行為。本論文設(shè)計的4Mn-Nb-Mo和5Mn-Nb-Mo兩種低合金實驗鋼在擁有明顯綜合性能優(yōu)勢的同時達到了盡量減少總合金元素含量的目的。
（6）65錳鋼板三種實驗鋼S3階段加工硬化率曲線的大幅度波動歸因于不連續(xù)TRIP效應(yīng)。其原因在于RA在拉伸過程中轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體并且發(fā)生了體積膨脹,進而抵消部分應(yīng)力集中并使應(yīng)力轉(zhuǎn)移到周圍相中而產(chǎn)生協(xié)同變形,伴隨著應(yīng)力的松弛和轉(zhuǎn)移;其次,實驗鋼中的RA需要有不同等級批次的穩(wěn)定性,當(dāng)應(yīng)力值達到或超過該等級批次RA可發(fā)生相變的臨界值才可產(chǎn)生TRIP效應(yīng)。（7）Ms點受到RA中化學(xué)成分、晶粒尺寸、屈服強度和應(yīng)力狀態(tài)等作用影響?？赏ㄟ^將實驗鋼MSσ溫度控制在使用溫度以下,以獲得更多更穩(wěn)定的RA,進而產(chǎn)生更為廣泛的TRIP效應(yīng),終提高實驗鋼的綜合性能。
