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。
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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。
较基体的硬度值有很大。测得高锰钢基体摩擦系数在0.9左右,65锰钢板熔覆后的FeCoNiCrMnTix涂层耐磨性有了一定程度的,且随着Ti含量的增加,耐磨性随之,熔覆后的FeCoNiCrMnTix涂层在Ti0.5的情况下摩擦系数和磨损量达到小值,分别为0.38和10.8mg。
经时效处理后的FeCoNiCrMnTix涂层试样的耐磨性整体上有了很大的,随着Ti含量的增加,其耐磨性也成的趋势。65mn锰冷轧钢板其中时效处理后的FeCoNiCrMnTix涂层在Ti0.5的情况下摩擦系数和磨损量达到小值,分别为0.13和3.6mg。基体磨痕形貌为大量深且宽的滑沟,摩擦类型为磨粒磨损;熔覆后的涂层磨损形貌主要是较浅的滑沟,滑沟处有少量颗粒,且有层片状脱落,磨损形式为粘着磨损与磨粒磨损。在时效处理后,磨损形貌有了明显的改善,滑沟数量变少且更浅,磨粒基本消失。M13高锰钢基体的冲击韧性值经实验测得为148.33J/cm2,熔覆后的试样冲击韧性值在175J/cm2左右,相较于基体有所。
800°时效16小时后的试样冲击韧性值在155J/cm2左右,相较于时效前的试样冲击韧性值略下降,但经时效后的不含Ti元素的试样冲击韧性值达到了182J/cm2。65锰钢板高锰钢基体和熔覆后的涂层断口都含有大量韧窝,为韧性断裂;时效处理后除Ti0.5试样断口含有解理和韧窝,为脆性断裂和韧性断裂之外,其他试样断口均由大量韧窝构成,为韧性断裂。整体上FeCoNiCrMnTix较大程度上提高了M13高锰钢的冲击韧性。
