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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(xué)性能和經(jīng)濟的造價而具有廣范的應(yīng)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(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(shè)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(xué)性能和觀組織進行了詳細(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(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關(guān)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(xué)性能,焊接材料與高錳低溫鋼匹配性較好。
將成形實驗數(shù)據(jù)與Keeler公式結(jié)合計算得到材料的成形極限圖,結(jié)果顯示Keeler公式計算所得成形極限圖與實測值較為接近,可用于5Mn鋼的成形極限計算。65錳冷軋鋼板此外,為了研究剪切工藝對中錳鋼力學(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）五種不同間隙進行沖裁,發(fā)現(xiàn)間隙為0.03t時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間隙樣對應(yīng)毛刺 且邊部硬化為嚴(yán)重,因此力學(xué)性能差。為進一步探究剪切工藝對5Mn鋼力學(xué)性能的影響,增加激光及線切割樣進行對比。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,對力學(xué)性能影響極小。
65mn錳冷軋鋼板·線切割對材料邊部形貌基本無影響,對應(yīng)了 力學(xué)性能。后,為探究5Mn鋼的實際應(yīng)用潛力,進行了汽車零件進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)開裂情況,與現(xiàn)用材料304不銹鋼持平。通過Autoform軟件進行仿真分析,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、65錳鋼板拉伸試驗機測試鋼的強韌性能,借助磨粒磨損試驗機測試鋼的抗磨損性能。研究了不同冷卻速率對相變行為的影響,淬火-配分（Q&P）工藝對組織演變、強度及磨損性能的影響。
相應(yīng)的研究結(jié)果分別如下:相圖計算及膨脹儀熱模擬結(jié)果表明,65mn錳冷軋鋼板Al元素有效拓寬了臨界區(qū)溫度工藝窗口;DICTRA軟件對具有相同平衡態(tài)兩相比例臨界區(qū)奧氏體化過程的元素配分模擬顯示Al元素的添加顯著了合金元素（尤其是有利于錳鋁等置換元素）的擴散效率,有助于殘留奧氏體中碳錳元素的富集與穩(wěn)定;高鋁添加導(dǎo)致δ鐵素體存留至室溫,降低了含鋁中錳TRIP鋼抗拉強度的同時了PLC現(xiàn)象;原位拉伸SEM中δ鐵素體內(nèi)大量交錯的位錯滑移帶證明了其良好的應(yīng)變協(xié)調(diào)性。
臨界區(qū)奧氏體化溫度通過調(diào)控臨界區(qū)奧氏體比例實現(xiàn)含鋁中錳鋼的多元強度級別設(shè)計。相較含鋁中錳TRIP鋼而言,以回火馬氏體組織為主要基體“骨架”的含鋁中錳IQ-TP鋼展現(xiàn)出更高的屈服強度;XRD和APT檢測到殘留奧氏體內(nèi)的碳錳元素富集、相界面處錳鋁元素的偏聚等現(xiàn)象證明了回火配分階段合金元素的局部平衡（LE）。65錳冷軋鋼板IQ--TP工藝下臨界區(qū)奧氏體化及回火過程兩階段的元素配分促進了殘留奧氏體碳錳元素的富集,同時回火馬氏體組織切割細(xì)化了殘留奧氏體晶粒進一步增加了其穩(wěn)定性,
65錳鋼板因而含鋁中錳IQ-TP鋼表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。以4Mn1Al鋼為例,其熱軋IQ-TP鋼,抗拉強度達1425±43MPa,同時延伸率25.9±3.8%,均明顯優(yōu)于含鋁中錳TRIP鋼抗拉強度1345MPa,延伸率18.9%的 力學(xué)性能。而4Mn2Al熱軋IQ-TP鋼抗拉強度達1319±39MPa,延伸率27.4±1.1%。膨脹儀組織熱模擬及EPMA成分分析證實了含鋁中錳TRIP鋼冷軋退火組織的異常長大現(xiàn)象受控于錳鋁元素偏析下關(guān)鍵溫度區(qū)間的加熱速率。富Al貧Mn區(qū)抑制了奧氏體的形核,慢加熱速率為形變馬氏體的再結(jié)晶行為及晶粒長大提供了充分的動力學(xué)條件。超細(xì)晶冷軋含鋁中錳TRIP鋼由于其較小的位錯運動平均自由程,具有明顯的屈服平臺。異常長大的鐵素體帶提供了應(yīng)變初期較高的加工硬化率,有利于縮短材料的屈服平臺延伸率。而含鋁中錳IQ-TP鋼由于馬氏體組織及幾何必要位錯的存在呈現(xiàn)出連續(xù)屈服特征。含鋁中錳IQ-TP鋼的塑性主要源于軟相板條形態(tài)鐵素體的“潤滑劑”效應(yīng)以及殘留奧氏體的持續(xù)性TRIP效應(yīng)。
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