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近年來,全國汽車總量不斷增加,導(dǎo)致由汽車排放產(chǎn)生的尾氣以及能源消耗等問題日益嚴(yán)重。如何提高汽車用65錳鋼板薄板鋼的強(qiáng)塑積,盡可能實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的同時(shí)兼顧駕駛,實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、低耗等價(jià)值成為關(guān)注和研究熱點(diǎn)。目前,中錳鋼（錳含量一般在3～11wt%）作為第3代先進(jìn)高強(qiáng)鋼,因其具有優(yōu)異的抗拉強(qiáng)度、伸長率、強(qiáng)塑積、耐撞性和性,所以其在汽車板的應(yīng)用中具有極大發(fā)展前景。本文設(shè)計(jì)了 5Mn,5Mn-Nb-Mo和4Mn-Nb-Mo三種不同成分體系中錳鋼,主要研究了多種組織調(diào)控?zé)崽幚砉に嚭髮?shí)驗(yàn)鋼的組織演變、力學(xué)性能、加工硬化行為、強(qiáng)塑化機(jī)理、奧氏體穩(wěn)定性和TRIP效應(yīng)。
為中錳鋼的性能優(yōu)化以及工業(yè)化應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。65mn錳冷軋鋼板本文獲得主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果歸納如下:（1）5Mn實(shí)驗(yàn)鋼的 奧氏體逆相變（ART）工藝參數(shù)為:625℃溫度下臨界退火4h并水冷至室溫。熱軋+ART、溫軋+ART和冷軋+ART實(shí)驗(yàn)鋼均表現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)塑積,其中500℃溫軋+ART實(shí)驗(yàn)鋼性能 ,殘余奧氏體（RA）含量達(dá)到56.8%,抗拉強(qiáng)度為1001MPa,伸長率為57.5%,強(qiáng)塑積可達(dá)57.6GPa·%。（2）淬火和回火（Q&T）工藝處理后的5Mn-Nb-Mo冷軋實(shí)驗(yàn)鋼力學(xué)性能優(yōu)于熱軋實(shí)驗(yàn)鋼。
65mn錳冷軋鋼板實(shí)驗(yàn)鋼在625～675℃臨界退火30min水淬,隨后在200℃回火15min,獲得了優(yōu)異的綜合性能,即RA含量 可達(dá)到39%,抗拉強(qiáng)度為1059～1190MPa,伸長率為33～40%,強(qiáng)塑積為33.9～41.0GPa·%。 冷軋CR-650試樣與佳熱軋HR-650試樣相比,前者的韌窩尺寸更大更深,進(jìn)而表現(xiàn)出更為優(yōu)異的伸長率。
隨著汽車輕量化戰(zhàn)略的實(shí)施及汽車行業(yè)需求的變化,高強(qiáng)度高塑性的先進(jìn)高強(qiáng)鋼被開發(fā)及應(yīng)用。65錳鋼板尤其是以中錳鋼等鋼種為代表的第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼兼顧成本及性能,在低制造成本的前提下,其強(qiáng)塑積能達(dá)到30 GPa-%級(jí)以上。
在開發(fā)中錳鋼等第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼的過程中,亞穩(wěn)奧氏體及其穩(wěn)定性被認(rèn)為是影響鋼材優(yōu)異力學(xué)性能的關(guān)鍵因素;在應(yīng)用中錳鋼等鋼種的過程中,亞穩(wěn)奧氏體及其穩(wěn)定性會(huì)影響回彈等成形方面的問題,因此需要深入研究。65mn錳冷軋鋼板本文以強(qiáng)塑積為30 GPa-%級(jí)的高強(qiáng)塑中錳鋼為研究對(duì)象,分析了組織中亞穩(wěn)奧氏體在不同應(yīng)變速率和不同變形方式下的穩(wěn)定性;并以此為理論依據(jù),探討了彎曲變形過程亞穩(wěn)奧氏體發(fā)生的相變行為以及亞穩(wěn)奧氏體對(duì)彎曲回彈的影響, 基于奧氏體特征建立了回彈預(yù)測(cè)模型,實(shí)現(xiàn)了中錳鋼回彈行為的高精度預(yù)測(cè)。本文的主要工作和結(jié)論如下:利用高速拉伸實(shí)驗(yàn)及數(shù)字圖像關(guān)聯(lián)技術(shù)（Digital image correlation,DIC）研究了不同應(yīng)變速率下亞穩(wěn)奧氏體的穩(wěn)定性。
結(jié)果表明,在應(yīng)變速率為10-3s-1至5×101s-1范圍內(nèi),奧氏體穩(wěn)定性隨著應(yīng)變速率的增加而增加。通過EBSD和TEM觀察發(fā)現(xiàn),不同應(yīng)變速率下,高強(qiáng)塑中錳鋼觀組織的演變規(guī)律基本保持一致,即奧氏體隨著應(yīng)變量的增加逐漸發(fā)生畸變,其內(nèi)部產(chǎn)生層錯(cuò),部分奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體;鐵素體內(nèi)部幾何必要位錯(cuò)密度隨著應(yīng)變量的增加而顯著增加,并形成高密度的小角度晶界;奧氏體晶粒內(nèi)的層錯(cuò)隨著應(yīng)變速率的增加呈現(xiàn)逐漸稀疏的趨勢(shì)。結(jié)合熱動(dòng)力學(xué)計(jì)算及觀組織分析,65mn錳冷軋鋼板在應(yīng)變速率由10-3 s-1增加至5×101s-1時(shí),奧氏體的層錯(cuò)能由9.8 mJ/m2升高至18.7mJ/m2,層錯(cuò)能的升高抑制了奧氏體的轉(zhuǎn)變,增加了奧氏體穩(wěn)定性;同時(shí)應(yīng)變速率增加導(dǎo)致發(fā)生相變的臨界能量升高以及相變驅(qū)動(dòng)力降低,也是奧氏體穩(wěn)定性上升的原因。通過板材成形實(shí)驗(yàn)及DIC技術(shù)研究了不同變形方式下亞穩(wěn)奧氏體的穩(wěn)定性。
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(duì)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(duì)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(duì)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。
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結(jié)果表明,65錳鋼板當(dāng)變形方式由簡單剪切變?yōu)閱蜗蚶煸僮優(yōu)槠矫鎽?yīng)變 變?yōu)榈入p拉時(shí),奧氏體的穩(wěn)定性逐漸下降。通過EBSD觀察發(fā)現(xiàn),不同變形方式下,隨著應(yīng)變量的增加,奧氏體逐漸發(fā)生畸變,部分奧氏體發(fā)生馬氏體相變,鐵素體內(nèi)部幾何必要位錯(cuò)密度增加。結(jié)合織構(gòu)分析、Schmid因子及外力所做功的計(jì)算可知,變形方式由單向拉伸變?yōu)槠矫鎽?yīng)變?cè)僮優(yōu)榈入p拉時(shí),奧氏體Schmid因子增加,同時(shí)機(jī)械外力所做的功上升,兩種因素共同作用導(dǎo)致奧氏體的穩(wěn)定性下降。而在簡單剪切變形時(shí),奧氏體Schmid因子較高,而機(jī)械外力所做的功 ,機(jī)械外力產(chǎn)生的相變驅(qū)動(dòng)力較小,導(dǎo)致簡單剪切變形時(shí)奧氏體的穩(wěn)定性較高。以奧氏體在不同應(yīng)變速率和變形方式下的穩(wěn)定性為理論依據(jù),利用彎曲回彈實(shí)驗(yàn)研究了成形工藝參數(shù)對(duì)中錳鋼回彈行為的影響。
結(jié)果表明,彎曲變形后中錳鋼厚度方向上發(fā)生不均勻變形。65mn錳冷軋鋼板在增加沖壓速度的條件下,彎曲內(nèi)層區(qū)域的變形程度較低,導(dǎo)致發(fā)生馬氏體相變的奧氏體體積分?jǐn)?shù)減少及幾何必要位錯(cuò)密度增加趨勢(shì)減弱,使得加工硬化能力減弱,從而中錳鋼的回彈角降低。在增加彎曲角度的條件下,彎曲內(nèi)層區(qū)域的變形程度增加,使得發(fā)生馬氏體相變的奧氏體體積分?jǐn)?shù)增加以及幾何必要位錯(cuò)密度增加,導(dǎo)致加工硬化增加,從而中錳鋼的回彈角增加。當(dāng)凹模跨距增加時(shí),彎曲內(nèi)層區(qū)域和外層區(qū)域的變形均降低,使得發(fā)生馬氏體相變的奧氏體體積分?jǐn)?shù)及幾何必要位錯(cuò)密度呈現(xiàn)減弱趨勢(shì)。在相同的總變形條件下,凹?？缇嗟脑黾?使得彈性變形階段所占比例增大,因而中錳鋼的回彈角增加。通過改變兩相區(qū)退火工藝和軋制方式研究了奧氏體體積分?jǐn)?shù)和織構(gòu)對(duì)中錳鋼彎曲回彈的影響。結(jié)果表明,奧氏體體積分?jǐn)?shù)的增加,使得材料的彈性模量增加;制備不同奧氏體體積分?jǐn)?shù)的兩相區(qū)退火工藝使得中錳鋼具有不同的屈服強(qiáng)度和加工硬化。
65mn錳冷軋鋼板彈性模量、屈服強(qiáng)度和加工硬化的差異共同導(dǎo)致回彈角的變化。在不同的奧氏體織構(gòu)條件下,中錳鋼的彈性模量隨著含<111>的織構(gòu)組分強(qiáng)度的減弱而降低;同時(shí)其加工硬化能力隨著含<1-10>和<001>的織構(gòu)組分強(qiáng)度的增強(qiáng)而增加。彈性模量的降低和加工硬化能力的增加是回彈角增加的主要原因?？紤]奧氏體體積分?jǐn)?shù)和織構(gòu)對(duì)彈性模量影響的有限元仿真模型,能夠更地預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)用中錳鋼的回彈行為,其預(yù)測(cè)的回彈角更接近實(shí)驗(yàn)測(cè)定的回彈角。
