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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。
相应的研究结果分别如下:相图计算及膨胀仪热模拟结果表明,65mn锰冷轧钢板Al元素有效拓宽了临界区温度工艺窗口;DICTRA软件对具有相同平衡态两相比例临界区奥氏体化过程的元素配分模拟显示Al元素的添加显著了合金元素（尤其是有利于锰铝等置换元素）的扩散效率,有助于残留奥氏体中碳锰元素的富集与稳定;高铝添加导致δ铁素体存留至室温,降低了含铝中锰TRIP钢抗拉强度的同时了PLC现象;原位拉伸SEM中δ铁素体内大量交错的位错滑移带证明了其良好的应变协调性。
临界区奥氏体化温度通过调控临界区奥氏体比例实现含铝中锰钢的多元强度级别设计。相较含铝中锰TRIP钢而言,以回火马氏体组织为主要基体“骨架”的含铝中锰IQ-TP钢展现出更高的屈服强度;XRD和APT检测到残留奥氏体内的碳锰元素富集、相界面处锰铝元素的偏聚等现象证明了回火配分阶段合金元素的局部平衡（LE）。65锰冷轧钢板IQ--TP工艺下临界区奥氏体化及回火过程两阶段的元素配分促进了残留奥氏体碳锰元素的富集,同时回火马氏体组织切割细化了残留奥氏体晶粒进一步增加了其稳定性,
65锰钢板因而含铝中锰IQ-TP钢表现出优异的力学性能。以4Mn1Al钢为例,其热轧IQ-TP钢,抗拉强度达1425±43MPa,同时延伸率25.9±3.8%,均明显优于含铝中锰TRIP钢抗拉强度1345MPa,延伸率18.9%的 力学性能。而4Mn2Al热轧IQ-TP钢抗拉强度达1319±39MPa,延伸率27.4±1.1%。膨胀仪组织热模拟及EPMA成分分析证实了含铝中锰TRIP钢冷轧退火组织的异常长大现象受控于锰铝元素偏析下关键温度区间的加热速率。富Al贫Mn区抑制了奥氏体的形核,慢加热速率为形变马氏体的再结晶行为及晶粒长大提供了充分的动力学条件。超细晶冷轧含铝中锰TRIP钢由于其较小的位错运动平均自由程,具有明显的屈服平台。异常长大的铁素体带提供了应变初期较高的加工硬化率,有利于缩短材料的屈服平台延伸率。而含铝中锰IQ-TP钢由于马氏体组织及几何必要位错的存在呈现出连续屈服特征。含铝中锰IQ-TP钢的塑性主要源于软相板条形态铁素体的“润滑剂”效应以及残留奥氏体的持续性TRIP效应。
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二维磨损分析指出了 Mn13Cr2和贝-马复相耐磨铸钢的二体摩65锰冷轧钢板擦磨损形式分别主要为黏着磨损和磨料磨损。三维磨损分析阐释了三体冲击磨料磨损中应变疲劳,裂纹,犁沟,嵌入磨粒和挤压堆积是贝-马复相耐磨铸钢的主要磨损机理;嵌入磨粒,犁沟,应变疲劳,切削,挤压堆积和剥落坑是Mn13Cr2的主要磨损机理。四维磨损分析解释了盐雾腐蚀和冲击磨料磨损共同作用下材料的磨损行为,低程度腐蚀试样的磨损机理主要仍表现为犁沟、应变疲劳和嵌入磨粒,试样磨损亚表层变形区较窄。此后随盐雾腐蚀时间的延长,犁沟变得更短而深,磨损失重增大,试样磨损亚表层变形区消失,材料的耐磨性恶化。
65mn锰冷轧钢板建立了理论公式用以估算贝-马复相耐磨铸钢在盐雾腐蚀和冲击磨料磨损协同作用下的磨损失重。试制了一套贝-马复相耐磨铸钢衬板,工业生产的热处理参数制定为910±10℃保温5h,强制风冷,310±10℃回火8h,空冷。试制衬板的组织和性能达到指标要求,衬板整体力学性能与耐磨性均匀,工业应用后寿命超过目前使用的国产衬板平均寿命50%以上。
近年来,随着对汽车产业节能减排及提高性提出越来越高的要求,越来越多的研究者开始研究具有优异综合力学性能的中锰钢,以兼顾汽车轻量化65mn锰冷轧钢板、碰撞性及经济性的要求。基于成分优化及组织调控,中锰钢的力学性能得到较大幅度,但在中锰钢零部件冷加工成型及服役过程中面临的塑性变形和氢脆问题,日益成为其应用和服役的一个制约性因素。对此,本文针对一种新型的高强塑积含Al中锰钢0.25C-8.67Mn-0.54Si-2.69Al（wt%）,采用预应变、电化学充氢、氢热分析（TDS）、慢应变速率拉伸（SSRT）、扫描电子显镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）及透射电子显镜（TEM）等实验方法,较为系统地研究了热轧退火态和冷轧退火态实验钢在不同塑性变形量下的观组织、65锰钢板力学性能变化及氢脆敏感性的变化规律,可以得到以下结论:热轧退火实验钢主要由片层状的退火铁素体+逆转变奥氏体（RA）组成,其中RA含量约为60 vol%,强塑积高达69.1 GPa·%。
