作为新型超低温用钢,65锰钢板高锰奥氏体钢因的力学性能和经济的造价而具有广范的应用前景。对高锰奥氏体钢的工程使用而言,保证焊缝金属的力学性能同样重要,因此,配套焊接材料的研发是关键。
本研究从合金元素对熔敷金属组织类型、机械稳定性和凝固裂纹敏感性的影响等方面考虑,设计了一种全奥氏体组织类型的高锰钢熔敷金属,其成分体系为C:0.2～0.5%、Mn:20.0～24.0%、Ni+Cr:4.0～8.0%,在此成分体系下熔敷金属具有良好的机械稳定性和低凝固裂纹敏感性。根据成分体系研制了高锰钢用实芯焊丝、金属粉型药芯焊丝和电焊条以及埋弧焊剂,并分别采用钨极氩弧焊、65mn锰冷轧钢板埋弧焊和手工电弧焊制备了高锰钢熔敷金属,采用常温拉伸、-196°C冲击和OM、EBSD、XRD等试验方法对熔敷金属的力学性能和观组织进行了详细的分析。力学性能分析结果显示,熔敷金属的屈服强度为323～495MPa,抗拉强度为600～732MPa,断后伸长率为36.0%～39.0%,-196°C平均冲击值为41～68J。熔敷金属观组织分析结果显示,组织类型为全奥氏体,呈胞状树枝晶结构,C、Mn、S等元素存在一定程度的显偏析,组织中存在大量Al2O3、SiO2、MnS类型的夹杂物。
熔敷金属良好的超低温冲击韧性主要缘于其全奥氏体组织类型,熔敷金属在冲击变形过程中发生马氏体转变（γ→ε-M→α’-M）,65锰冷轧钢板也在一定程度上提高了低温冲击功,熔敷金属中直径>0.5μm的夹杂物密度较低,是保持低温韧性的另一个关键因素,而C元素在一次奥氏体相的偏析则会致使组织发生低温脆断。采用金属粉型药芯焊丝和电焊条制备了高锰低温钢焊接接头,接头中焊缝金属的屈服强度为468～489MPa,抗拉强度为700～736MPa,断后伸长率分别为37.0%～37.5%,-196°C平均冲击值为68～83J,焊缝金属具有良好的力学性能,焊接材料与高锰低温钢匹配性较好。
随着汽车轻量化战略的实施及汽车行业需求的变化,高强度高塑性的先进高强钢被开发及应用。65锰钢板尤其是以中锰钢等钢种为代表的第三代先进高强钢兼顾成本及性能,在低制造成本的前提下,其强塑积能达到30 GPa-%级以上。
在开发中锰钢等第三代先进高强钢的过程中,亚稳奥氏体及其稳定性被认为是影响钢材优异力学性能的关键因素;在应用中锰钢等钢种的过程中,亚稳奥氏体及其稳定性会影响回弹等成形方面的问题,因此需要深入研究。65mn锰冷轧钢板本文以强塑积为30 GPa-%级的高强塑中锰钢为研究对象,分析了组织中亚稳奥氏体在不同应变速率和不同变形方式下的稳定性;并以此为理论依据,探讨了弯曲变形过程亚稳奥氏体发生的相变行为以及亚稳奥氏体对弯曲回弹的影响, 基于奥氏体特征建立了回弹预测模型,实现了中锰钢回弹行为的高精度预测。本文的主要工作和结论如下:利用高速拉伸实验及数字图像关联技术（Digital image correlation,DIC）研究了不同应变速率下亚稳奥氏体的稳定性。
结果表明,在应变速率为10-3s-1至5×101s-1范围内,奥氏体稳定性随着应变速率的增加而增加。通过EBSD和TEM观察发现,不同应变速率下,高强塑中锰钢观组织的演变规律基本保持一致,即奥氏体随着应变量的增加逐渐发生畸变,其内部产生层错,部分奥氏体转变成马氏体;铁素体内部几何必要位错密度随着应变量的增加而显著增加,并形成高密度的小角度晶界;奥氏体晶粒内的层错随着应变速率的增加呈现逐渐稀疏的趋势。结合热动力学计算及观组织分析,65mn锰冷轧钢板在应变速率由10-3 s-1增加至5×101s-1时,奥氏体的层错能由9.8 mJ/m2升高至18.7mJ/m2,层错能的升高抑制了奥氏体的转变,增加了奥氏体稳定性;同时应变速率增加导致发生相变的临界能量升高以及相变驱动力降低,也是奥氏体稳定性上升的原因。通过板材成形实验及DIC技术研究了不同变形方式下亚稳奥氏体的稳定性。
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汽车工业的快速发展对汽车用钢提出了更高要求,中锰相变诱导塑性（TRIP）钢作为第三代汽车用先进高强钢,由于其的机械性能、相对低廉的成本、65锰钢板易加工性和轻量化等优势成为了研究热点。通过调控中锰钢的结构、热处理工艺和轧制工艺,提高其综合机械性能与服役性能,是中锰钢实现工业化生产的重要基础。65mn锰冷轧钢板本文在Fe-6Mn-0.2C-3Al中锰钢的基础上,通过添加量（0.6wt.%）Si元素（试样分别被标记为0Si和0.6Si）以调控其成分和结构。材料经65mn锰冷轧钢板热轧之后,系统的研究了临界退火时间、应变速率、热处理工艺和轧制工艺等对材料的机械性能和氢脆性能的影响。
获得以下主要结论:（1）热轧板在740℃下临界退火3～120min不等,退火时间对结构、机械性能和断裂行为的研究表明:0Si的结构为超细晶奥氏体和α-铁素体。0.6Si的结构中既存在超细晶奥氏体和α-铁素体,也存在大量粗晶粒δ-铁素体,且在退火过程中,δ-铁素体的硬度急剧下降。短时间退火时,0.6Si的机械性能稍低于0Si试样,如下:退火3～7min时,0Si和0.6Si对应的强塑积分别为13.8～37.9GPa·%17.1～25.3GPa·%。长时间退火时,0.6Si的机械性能远高于0Si试样,如下:退火30～60min时,0Si和0.6Si对应的强塑积分别为 38.6～31.8GPa·%和 58.2～55.6GPa·%。0Si的裂纹主要于γ（α’）/α界面处形核,0.6Si的裂纹主要于γ（α’）/α和（γ（α’）+α）/δ界面处形核。65mn锰冷轧钢板当δ-铁素体的硬度高于奥氏体和α-铁素体时,0.6Si的裂纹优先沿着（γ（α’）+α）/δ界面扩展,形成平行于拉伸方向的大量裂纹,并造成断口分层;当δ-铁素体的硬度远低于奥氏体和α-铁素体时,0.6Si的裂纹优先穿过γ（α’）/α结构,形成垂直于拉伸方向的大量裂纹,当其扩展至较软δ-铁素体时,发生止裂。
