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日益增長的節(jié)能環(huán)保要求正不斷推動(dòng)著汽車輕量化進(jìn)程,相較鎂鋁等輕質(zhì)材料,65錳冷軋鋼板汽車用鋼面臨著全流程綠色生產(chǎn)、高強(qiáng)高塑及優(yōu)良成形性等多方面的挑戰(zhàn)。
以中錳鋼和淬火&配分（Q&P）鋼為典型代表的第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼（AHSS）在汽車輕量化材料中具有良好的競(jìng)爭力65錳鋼板。本論文主要從第三代AHSS的關(guān)鍵相——亞穩(wěn)態(tài)殘留奧氏體的設(shè)計(jì)出發(fā),結(jié)合中錳鋼的奧氏體逆轉(zhuǎn)變退火（ART）工藝及Q&P工藝,設(shè)計(jì)并制備了具有高殘留奧氏體含量的超高強(qiáng)含鋁中錳鋼,系統(tǒng)性探索殘留奧氏體含量、形態(tài)、尺寸及周圍基體相的分布與其相變誘導(dǎo)塑性（TRIP）效應(yīng)的相互關(guān)系,實(shí)現(xiàn)低成本、簡工序的超高強(qiáng)（抗拉強(qiáng)度>1300MPa,強(qiáng)塑積>35GPa·%）含鋁中錳鋼的組織調(diào)控及強(qiáng)韌化機(jī)制研究。低成本無合金元素的“C-Si-Mn-Al”系成分設(shè)計(jì)及短工序低能耗的制備流程為汽車輕量化提供了優(yōu)質(zhì)的選材。
采用0.3C-1.5Si-4Mn,wt.%為基本合金體系,利用梯度鋁含量（1\2\4,wt.%）調(diào)控中錳系鋼的臨界區(qū)溫度及工藝窗口,實(shí)現(xiàn)高65mn錳冷軋鋼板強(qiáng)度的基體組織設(shè)計(jì),即“鐵素體+殘留奧氏體”的含鋁中錳TRIP鋼及“鐵素體+回火馬氏體+殘留奧氏體”的含鋁中錳淬火及回火配分（IQ-TP）鋼。采用掃描電鏡SEM、透射電鏡TEM、電子背散射衍射EBSD、X射線衍射儀XRD等顯組織形貌表征技術(shù)及相分析手段,結(jié)合原位變形技術(shù)系統(tǒng)性分析超高強(qiáng)含鋁中錳鋼的多元復(fù)合組織構(gòu)成、應(yīng)變協(xié)調(diào)性及強(qiáng)韌化機(jī)制;同時(shí)借助于電子探針EPMA分析宏觀元素偏析行為,利用Thermo calc\DICTRA熱力學(xué)動(dòng)力學(xué)軟件及原子探針層析術(shù)（APT）等深層次揭示觀元素配分規(guī)律;合理調(diào)控臨界區(qū)奧氏體化溫度、加熱速率、65mn錳冷軋鋼板壓下率等工藝參數(shù),實(shí)現(xiàn)殘留奧氏體及其他基本相的 化配置,改善或中錳系鋼中的屈服平臺(tái)及PLC塑性失穩(wěn)現(xiàn)象。
汽車工業(yè)的快速發(fā)展對(duì)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(jìn)高強(qiáng)鋼,由于其的機(jī)械性能、相對(duì)低廉的成本、65錳鋼板易加工性和輕量化等優(yōu)勢(shì)成為了研究熱點(diǎn)。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(jī)械性能與服役性能,是中錳鋼實(shí)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(shí)間、應(yīng)變速率、熱處理工藝和軋制工藝等對(duì)材料的機(jī)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(shí)間對(duì)結(jié)構(gòu)、機(jī)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(shí)間退火時(shí),0.6Si的機(jī)械性能稍低于0Si試樣,如下:退火3～7min時(shí),0Si和0.6Si對(duì)應(yīng)的強(qiáng)塑積分別為13.8～37.9GPa·%17.1～25.3GPa·%。長時(shí)間退火時(shí),0.6Si的機(jī)械性能遠(yuǎn)高于0Si試樣,如下:退火30～60min時(shí),0Si和0.6Si對(duì)應(yīng)的強(qiáng)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(shí),0.6Si的裂紋優(yōu)先沿著（γ（α’）+α）/δ界面擴(kuò)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(yuǎn)低于奧氏體和α-鐵素體時(shí),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(kuò)展至較軟δ-鐵素體時(shí),發(fā)生止裂。
眾鑫42crmo冷軋耐磨錳鋼板圓鋼金屬材料有限公司長期以來培養(yǎng) 福建寧德16錳鋼板技術(shù)人才，積累了從 福建寧德16錳鋼板產(chǎn)品開發(fā)、工藝、工裝設(shè)計(jì)到批量生產(chǎn)的豐富的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。能夠在較短的時(shí)間內(nèi)開發(fā)出滿足用戶要求的 福建寧德16錳鋼板產(chǎn)品。
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圓錐破碎機(jī)是礦山行業(yè)中的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備65錳冷軋鋼板,其工作環(huán)境復(fù)雜且工作量巨大,因此設(shè)置耐磨襯板來保護(hù)圓錐破碎機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu),作為該設(shè)備重要的消耗配件,其性能和使用壽命直接影響圓錐破碎機(jī)的工作效率和生產(chǎn)成本。目前我國破碎機(jī)襯板廣泛采用高錳鋼,其特點(diǎn)為屈服強(qiáng)度和初始硬度較低,若無法充分發(fā)揮加工硬化作用,高錳鋼的耐磨性難以滿足圓錐破碎機(jī)的使用需求?；诖?本文沿著提高強(qiáng)度和硬度、并保持一定沖擊韌性,從而提高綜合耐磨性的思路,設(shè)計(jì)了一種以貝氏體和馬氏體為主要組織的圓錐破碎機(jī)襯板用貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼。研究了貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼的相變規(guī)律,得到了 Ac1、Ac3和Ms溫度分別為762℃、843℃和281℃。
65錳鋼板材料的淬透性良好,在40℃/s～0.05℃/s的冷速范圍內(nèi)均可發(fā)生馬氏體相變,在5℃/s～0.05℃/s的冷速范圍內(nèi)均能夠獲得一定含量的貝氏體組織。確定了貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼的 熱處理工藝為900℃×2 h空冷或爐冷+回火300℃×2h,此時(shí)的力學(xué)性能為:抗拉強(qiáng)度1478 MPa、屈服強(qiáng)度1233 MPa、硬度52.1 HRC、常溫沖擊功20.6 J。分析了熱處理工藝參數(shù)對(duì)貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼力學(xué)性能和顯組織的影響規(guī)律,結(jié)果表明:淬火保溫溫度直接影響原始奧氏體晶粒、馬氏體板條束和板條塊的尺寸,而對(duì)馬氏體板條尺寸的影響具有遲滯性。
淬火冷卻速度影響組織中貝氏體和馬氏體的含量,在馬氏體晶界處的Mn、S、C和Si化合物降低了韌性,65mn錳冷軋鋼板在貝氏體組織中,大角度晶界和Y2O3的析出物對(duì)韌性有益。馬氏體組織具有更高密度的位錯(cuò)纏結(jié)和更精細(xì)的板條組織,因此納米硬度高于貝氏體組織。通過二體銷-盤磨損實(shí)驗(yàn)和三體沖擊磨料磨損實(shí)驗(yàn)對(duì)比了貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼和Mn13Cr2的耐磨性,結(jié)果表明:貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼的耐磨性在銷-盤磨損和1 J、2 J、4 J沖擊磨料磨損時(shí)分別比Mn13Cr2高197%和38%、99%、246%。對(duì)貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼鹽霧腐蝕后再進(jìn)行三體沖擊磨料磨損實(shí)驗(yàn),其耐磨性在鹽霧腐蝕1 h、2 h、4 h、8 h和24 h后分別降低了 10%、42%、54%、57%和 58%。提出了一種多維度磨損分析方法來闡釋貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼的耐磨機(jī)理。65錳鋼板一維磨損分析揭示了沿磨損表面法線方向,貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼的加工硬化機(jī)理為孿晶、高密度位錯(cuò)和殘余奧氏體相變,Mn13Cr2的加工硬化機(jī)理為位錯(cuò)纏結(jié)和堆垛層錯(cuò)。
二維磨損分析指出了 Mn13Cr2和貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼的二體摩65錳冷軋鋼板擦磨損形式分別主要為黏著磨損和磨料磨損。三維磨損分析闡釋了三體沖擊磨料磨損中應(yīng)變疲勞,裂紋,犁溝,嵌入磨粒和擠壓堆積是貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼的主要磨損機(jī)理;嵌入磨粒,犁溝,應(yīng)變疲勞,切削,擠壓堆積和剝落坑是Mn13Cr2的主要磨損機(jī)理。四維磨損分析解釋了鹽霧腐蝕和沖擊磨料磨損共同作用下材料的磨損行為,低程度腐蝕試樣的磨損機(jī)理主要仍表現(xiàn)為犁溝、應(yīng)變疲勞和嵌入磨粒,試樣磨損亞表層變形區(qū)較窄。此后隨鹽霧腐蝕時(shí)間的延長,犁溝變得更短而深,磨損失重增大,試樣磨損亞表層變形區(qū)消失,材料的耐磨性惡化。
65mn錳冷軋鋼板建立了理論公式用以估算貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼在鹽霧腐蝕和沖擊磨料磨損協(xié)同作用下的磨損失重。試制了一套貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼襯板,工業(yè)生產(chǎn)的熱處理參數(shù)制定為910±10℃保溫5h,強(qiáng)制風(fēng)冷,310±10℃回火8h,空冷。試制襯板的組織和性能達(dá)到指標(biāo)要求,襯板整體力學(xué)性能與耐磨性均勻,工業(yè)應(yīng)用后壽命超過目前使用的國產(chǎn)襯板平均壽命50%以上。
近年來,隨著對(duì)汽車產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排及提高性提出越來越高的要求,越來越多的研究者開始研究具有優(yōu)異綜合力學(xué)性能的中錳鋼,以兼顧汽車輕量化65mn錳冷軋鋼板、碰撞性及經(jīng)濟(jì)性的要求?；诔煞謨?yōu)化及組織調(diào)控,中錳鋼的力學(xué)性能得到較大幅度,但在中錳鋼零部件冷加工成型及服役過程中面臨的塑性變形和氫脆問題,日益成為其應(yīng)用和服役的一個(gè)制約性因素。對(duì)此,本文針對(duì)一種新型的高強(qiáng)塑積含Al中錳鋼0.25C-8.67Mn-0.54Si-2.69Al（wt%）,采用預(yù)應(yīng)變、電化學(xué)充氫、氫熱分析（TDS）、慢應(yīng)變速率拉伸（SSRT）、掃描電子顯鏡（SEM）、電子背散射衍射（EBSD）及透射電子顯鏡（TEM）等實(shí)驗(yàn)方法,較為系統(tǒng)地研究了熱軋退火態(tài)和冷軋退火態(tài)實(shí)驗(yàn)鋼在不同塑性變形量下的觀組織、65錳鋼板力學(xué)性能變化及氫脆敏感性的變化規(guī)律,可以得到以下結(jié)論:熱軋退火實(shí)驗(yàn)鋼主要由片層狀的退火鐵素體+逆轉(zhuǎn)變奧氏體（RA）組成,其中RA含量約為60 vol%,強(qiáng)塑積高達(dá)69.1 GPa·%。
