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(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(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。

近年來,中65錳鋼板因具有優(yōu)異的強(qiáng)塑積且兼顧了經(jīng)濟(jì)性與工業(yè)可行性而成為了第三代汽車用鋼中的一個(gè)研究熱點(diǎn),如何進(jìn)一步提高其力學(xué)性能是人們研究的重點(diǎn)之一。

  基于此,本文在傳統(tǒng)中錳鋼研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種V合金化中錳鋼并對其進(jìn)行了熱軋、冷軋、溫軋及隨后的兩相區(qū)退火處理,較為系統(tǒng)地研究了實(shí)驗(yàn)鋼在不同軋制狀態(tài)及不同退火溫度下的觀組織和力學(xué)性能變化規(guī)律,探討了V合金化對中錳鋼強(qiáng)度的影響。得到的主要結(jié)果如下:本文通過研究熱軋+兩相區(qū)退火（625℃-800℃）處理的實(shí)驗(yàn)鋼組織與力學(xué)性能,得出的結(jié)果表明:實(shí)驗(yàn)鋼組織主要為長條狀δ-鐵素體、板條狀的α-鐵素體+殘余奧氏體（Retained austenite,RA）以及大量細(xì)小彌散的VC析出相。對于625℃和750℃的兩相區(qū)退火試樣,VC的析出強(qiáng)化增量分別為-347 MPa和-234 MPa;隨著退火溫度（Intercritical annealing temperature,TIA）的,65錳冷軋鋼板VC析出相尺寸增大和RA板條粗化引起了屈服強(qiáng)度的顯著降低。

  隨著TIA的,RA含量先增加后降低,穩(wěn)定性持續(xù)降低,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)鋼的強(qiáng)塑積先增加后降低;當(dāng)TIA為725℃時(shí),可獲得高達(dá)-50GPa·%的強(qiáng)塑積,并且屈服強(qiáng)度達(dá)到890 MPa,從而具有優(yōu)異的強(qiáng)塑性配合。通過研究冷軋+兩相區(qū)退火（650℃-800℃）處理的實(shí)驗(yàn)鋼組織與力學(xué)性能,其結(jié)果表明:冷軋退火態(tài)實(shí)驗(yàn)鋼的組織主要為長條狀δ-鐵素體、等軸狀α-鐵素體+RA以及大量細(xì)小彌散的VC析出相。65mn錳冷軋鋼板其中,當(dāng)TIA較低時(shí),組織中存在少量板條狀組織;隨著TIA升高,板條狀組織逐漸消失,等軸狀組織逐漸增多。此外,隨著TIA的升高,RA含量逐漸增加而RA穩(wěn)定性持續(xù)降低,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)鋼的強(qiáng)塑積先增加后降低。其中,當(dāng)TIA為700℃時(shí),獲得高達(dá)-52.6GPa·%的強(qiáng)塑積。通過研究溫軋以及溫軋+兩相區(qū)退火（650℃-800℃）處理的實(shí)驗(yàn)鋼組織與力學(xué)性能,其結(jié)果表明:溫軋?jiān)紤B(tài)及溫軋+退火態(tài)實(shí)驗(yàn)鋼的組織均為δ-鐵素體、板條狀與少量等軸狀共存的α-鐵素體+RA以及大量細(xì)小彌散VC析出相。當(dāng)TIA為650-750℃時(shí),其強(qiáng)塑積均能保持在50 GPa·%以上,這表明溫軋?zhí)幚硎箤?shí)驗(yàn)鋼具有較寬的熱處理工藝窗口。因此,溫軋?zhí)幚碛锌赡艹蔀橐环N簡化傳統(tǒng)中錳鋼生產(chǎn)應(yīng)用的新方法。

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)。通過納米壓痕測試,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%）。