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作為新型超低溫用鋼,65錳鋼板高錳奧氏體鋼因的力學性能和經濟的造價而具有廣范的應用前景。對高錳奧氏體鋼的工程使用而言,保證焊縫金屬的力學性能同樣重要,因此,配套焊接材料的研發(fā)是關鍵。
本研究從合金元素對熔敷金屬組織類型、機械穩(wěn)定性和凝固裂紋敏感性的影響等方面考慮,設計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等試驗方法對熔敷金屬的力學性能和觀組織進行了詳細的分析。力學性能分析結果顯示,熔敷金屬的屈服強度為323～495MPa,抗拉強度為600～732MPa,斷后伸長率為36.0%～39.0%,-196°C平均沖擊值為41～68J。熔敷金屬觀組織分析結果顯示,組織類型為全奧氏體,呈胞狀樹枝晶結構,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程中發(fā)生馬氏體轉變（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關鍵因素,而C元素在一次奧氏體相的偏析則會致使組織發(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度為468～489MPa,抗拉強度為700～736MPa,斷后伸長率分別為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性能,焊接材料與高錳低溫鋼匹配性較好。
傳統(tǒng)高錳鋼在中低載荷工況下不具有優(yōu)勢,在其基礎上通過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,在一定程度上彌補了其應用中存在的不足。
本文對比研究了Mn8、Mn15及Mn18三種錳鋼的滑動和沖擊磨料磨損性能,分析了磨損機理。同時模擬礦井淋水腐蝕環(huán)境,探討了三種錳鋼的電化學腐蝕性能,論文得到以下主要結論:酸性礦井淋水腐蝕條件下,三種錳鋼表現(xiàn)出更負的腐蝕電位,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?；瑒幽p實驗表明,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,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。沖擊磨料磨損實驗表明,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,Mn18的磨損失重低于Mn8和Mn15;3.5J沖擊功時,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磨損層亞結構主要為位錯、孿晶及馬氏體,其耐磨強化機制為馬氏體相變復合強化機制。Mn18磨損層亞結構出現(xiàn)大量位錯、孿晶外,未發(fā)現(xiàn)馬氏體相變,但出現(xiàn)Fe-Mn-C原子團偏聚區(qū),其強化機制是通過位錯、孿晶和Fe-Mn-C原子團強化
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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:隨著應變速率的增加,由于TRIP效應被抑制,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%。應變速率并未影響0Si和0.6Si的斷裂行為。然而,隨著應變速率的降低,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,進而導致材料提前斷裂。對于0Si:裂紋形核與氫原子無關,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,斷口則由細小的韌窩變?yōu)榇嘈詼式饫怼?
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/基體應變界面具有較高的陷阱能;3、位錯密度的降低。
