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传统高锰钢在中低载荷工况下不具有优势,在其基础上通过降低或增加碳锰元素含量研发出中锰和超65锰钢板高锰钢,在一定程度上弥补了其应用中存在的不足。
本文对比研究了Mn8、Mn15及Mn18三种锰钢的滑动和冲击磨料磨损性能,分析了磨损机理。同时模拟矿井淋水腐蚀环境,探讨了三种锰钢的电化学腐蚀性能,论文得到以下主要结论:酸性矿井淋水腐蚀条件下,三种锰钢表现出更负的腐蚀电位,酸性工况下耐腐蚀性能弱于碱性和中性腐蚀环境。酸、中、碱性矿井淋水腐蚀环境中,Mn8钢的开路电位正（65mn锰冷轧钢板）,极化曲线外推拟合腐蚀电压 ,腐蚀电流小,且容抗弧半径小,其耐腐蚀性能优于Mn15和Mn18耐磨钢。滑动磨损实验表明,三种锰钢的摩擦系数均呈现先快速升高,后下降到一定的范围趋于平稳的变化趋势,低载平均摩擦系数高于高载。相同磨损工况条件下,Mn8均具有 磨损失重,其抗滑动磨料磨损性能优于Mn15和Mn18耐磨钢。
三种耐磨钢磨损层硬度分布均呈现梯度变化特征,Mn8磨损亚表层（50mm处）65锰钢板硬度达到550HV,Mn15和Mn18分别为450HV和510HV,Mn8的加工硬化效果佳,Mn18则优于Mn15。三种耐磨钢干摩擦磨损机理主要表现为粘着磨损,伴有局部区域的疲劳剥落破坏,石英砂磨料磨损机理主要为磨粒磨损,表现形式为宽且深的犁沟和较大区域的疲劳剥落。冲击磨料磨损实验表明,随冲击功的增大,三种锰钢的加工硬化能力均提高,磨损失重也明显降低。1.5J冲击功时,Mn18的磨损失重低于Mn8和Mn15;3.5J冲击功时,Mn8具有 的磨损失重。Mn8和Mn18亚表层组织具有较高密度的孪晶,亚表层（50mm处）硬度分别达到50HRC和48HRC,其加工硬化效果明显优于Mn15,加工硬化层深度超过1.5mm。三种锰钢磨损形式主要表现为凿削磨损和不同程度疲劳剥落磨损。
65锰钢板Mn8、Mn15磨损层亚结构主要为位错、孪晶及马氏体,其耐磨强化机制为马氏体相变复合强化机制。Mn18磨损层亚结构出现大量位错、孪晶外,未发现马氏体相变,但出现Fe-Mn-C原子团偏聚区,其强化机制是通过位错、孪晶和Fe-Mn-C原子团强化
日益增长的节能环保要求正不断推动着汽车轻量化进程,相较镁铝等轻质材料,65锰冷轧钢板汽车用钢面临着全流程绿色生产、高强高塑及优良成形性等多方面的挑战。
以中锰钢和淬火&配分（Q&P）钢为典型代表的第三代先进高强钢（AHSS）在汽车轻量化材料中具有良好的竞争力65锰钢板。本论文主要从第三代AHSS的关键相——亚稳态残留奥氏体的设计出发,结合中锰钢的奥氏体逆转变退火（ART）工艺及Q&P工艺,设计并制备了具有高残留奥氏体含量的超高强含铝中锰钢,系统性探索残留奥氏体含量、形态、尺寸及周围基体相的分布与其相变诱导塑性（TRIP）效应的相互关系,实现低成本、简工序的超高强（抗拉强度>1300MPa,强塑积>35GPa·%）含铝中锰钢的组织调控及强韧化机制研究。低成本无合金元素的“C-Si-Mn-Al”系成分设计及短工序低能耗的制备流程为汽车轻量化提供了优质的选材。
采用0.3C-1.5Si-4Mn,wt.%为基本合金体系,利用梯度铝含量（1\2\4,wt.%）调控中锰系钢的临界区温度及工艺窗口,实现高65mn锰冷轧钢板强度的基体组织设计,即“铁素体+残留奥氏体”的含铝中锰TRIP钢及“铁素体+回火马氏体+残留奥氏体”的含铝中锰淬火及回火配分（IQ-TP）钢。采用扫描电镜SEM、透射电镜TEM、电子背散射衍射EBSD、X射线衍射仪XRD等显组织形貌表征技术及相分析手段,结合原位变形技术系统性分析超高强含铝中锰钢的多元复合组织构成、应变协调性及强韧化机制;同时借助于电子探针EPMA分析宏观元素偏析行为,利用Thermo calc\DICTRA热力学动力学软件及原子探针层析术（APT）等深层次揭示观元素配分规律;合理调控临界区奥氏体化温度、加热速率、65mn锰冷轧钢板压下率等工艺参数,实现残留奥氏体及其他基本相的 化配置,改善或中锰系钢中的屈服平台及PLC塑性失稳现象。
本文意在解决高锰钢在低应力条件下耐磨性较差的缺点,同时满足其在高应力冲击下保持较好的冲击韧性,开展了高锰钢表面等离子熔覆FeCoNiCrMnTix高熵合金涂层的探索,研究了高65锰钢板锰钢表面等离子熔覆FeCoNiCrMnTix高熵合金涂层后,以及对FeCoNiCrMnTix高熵合金涂层/高锰钢基体进行时效处理后的组织与性能的演变,探明Ti元素的添加以及时效处理对于FeCoNiCrMn系高熵合金涂层组织与性能的影响,为后续在高锰钢表面制备出能够承受高低应冲击高熵合金耐磨涂层提供参考。
试验结果表明:FeCoNiCrMnTix高熵合金涂层在熔覆后表层晶粒结构为等轴晶,同时有少量共晶组织产生,熔覆层中部为树枝晶,与基体接触的熔覆层底部为胞状晶;在时效后熔覆层整体的等轴晶增多,相应的树枝晶和胞状晶有所减少。熔覆后FeCoNiCrMnTix的物相构成比较单一稳定,65mn冷轧钢板当x=0的时候熔覆层的物相组成由单一的FCC相组成,主要相为Fe0.64Ni0.36,当Ti元素加入后,有BCC相Co3Ti产生,且新相Co3Ti的峰值也随Ti元素的增多而提高。在时效过后熔覆层的物相组成没有很大差别,Co3Ti析出物有了明显的增多,峰值也有了明显的提高。整体上各个试样的硬度从熔覆层到热影响区再到基体呈下降趋势。
65mn锰冷轧钢板熔覆后的涂层硬度由表至里变化趋势略下降;时效处理后的涂层硬度由表至里的下降趋势不明显,涂层的硬度较为平均,且时效处理前后的试样 硬度值都随Ti含量的增多而。其中基体的硬度值在220.4HV左右,熔覆后的高熵合金涂层 硬度值为344.5HV。时效处理后FeCoNiCrMnTi0.5高熵合金涂层的 硬度值为469.7HV。
结果表明,65锰钢板当变形方式由简单剪切变为单向拉伸再变为平面应变 变为等双拉时,奥氏体的稳定性逐渐下降。通过EBSD观察发现,不同变形方式下,随着应变量的增加,奥氏体逐渐发生畸变,部分奥氏体发生马氏体相变,铁素体内部几何必要位错密度增加。结合织构分析、Schmid因子及外力所做功的计算可知,变形方式由单向拉伸变为平面应变再变为等双拉时,奥氏体Schmid因子增加,同时机械外力所做的功上升,两种因素共同作用导致奥氏体的稳定性下降。而在简单剪切变形时,奥氏体Schmid因子较高,而机械外力所做的功 ,机械外力产生的相变驱动力较小,导致简单剪切变形时奥氏体的稳定性较高。以奥氏体在不同应变速率和变形方式下的稳定性为理论依据,利用弯曲回弹实验研究了成形工艺参数对中锰钢回弹行为的影响。
结果表明,弯曲变形后中锰钢厚度方向上发生不均匀变形。65mn锰冷轧钢板在增加冲压速度的条件下,弯曲内层区域的变形程度较低,导致发生马氏体相变的奥氏体体积分数减少及几何必要位错密度增加趋势减弱,使得加工硬化能力减弱,从而中锰钢的回弹角降低。在增加弯曲角度的条件下,弯曲内层区域的变形程度增加,使得发生马氏体相变的奥氏体体积分数增加以及几何必要位错密度增加,导致加工硬化增加,从而中锰钢的回弹角增加。当凹模跨距增加时,弯曲内层区域和外层区域的变形均降低,使得发生马氏体相变的奥氏体体积分数及几何必要位错密度呈现减弱趋势。在相同的总变形条件下,凹模跨距的增加,使得弹性变形阶段所占比例增大,因而中锰钢的回弹角增加。通过改变两相区退火工艺和轧制方式研究了奥氏体体积分数和织构对中锰钢弯曲回弹的影响。结果表明,奥氏体体积分数的增加,使得材料的弹性模量增加;制备不同奥氏体体积分数的两相区退火工艺使得中锰钢具有不同的屈服强度和加工硬化。
65mn锰冷轧钢板弹性模量、屈服强度和加工硬化的差异共同导致回弹角的变化。在不同的奥氏体织构条件下,中锰钢的弹性模量随着含<111>的织构组分强度的减弱而降低;同时其加工硬化能力随着含<1-10>和<001>的织构组分强度的增强而增加。弹性模量的降低和加工硬化能力的增加是回弹角增加的主要原因。考虑奥氏体体积分数和织构对弹性模量影响的有限元仿真模型,能够更地预测实验用中锰钢的回弹行为,其预测的回弹角更接近实验测定的回弹角。
