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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
传统高65mn锰钢板（Hadfield钢）在室温下能获得单相奥氏体,具有优良的加工硬化能力和抗冲击能力,因此广泛用作冲击载荷下的耐磨材料。然而较低的屈服强度和初始硬度,导致材料在低冲击载荷下不能完全发挥其耐磨性就发生塑性变形,降低了使用寿命。本文设计出一种轻质超高锰钢（Fe-31.6Mn-8.8A1-1.38C）,具有低密度、高屈服强度、高初始硬度、良好冲击韧性等特点,适用于低冲击载荷下的磨损条件。通过研究时效处理后的相转变、压缩变形、冲击磨损分析了实验钢的强化机理和磨损机理。
实验钢经1050℃保温1.5h水韧处理后获得单相奥氏体,65锰冷轧钢板时效后奥氏体基体会弥散析出纳米级别的κ’-碳化物,有助于屈服强度和初始硬度。在550℃时效2h综合力学性能65锰钢板佳,与仅水韧处理相比屈服强度提高107.4%,初始硬度提高28.7%,其抗拉强度为1041.7 MPa、屈服强度为1002.7 MPa、断后伸长率为17.6%、冲击韧性（V型缺口）为62 J/cm2和硬度为268.5 HB。随着时效温度升高（550℃～900℃）相转变的顺序为:κ’→纳米-κ’+β-Mn→亚米-κ’+β-Mn+α→纳米-κ’。其中四种类型的κ相析出涉及尺寸、形貌和分布被总结,包括晶内型:纳米-κ’（<50nm）,亚米-κ’（>100nm）。
晶间型:κ*（～1μm）。以及片层状κ,存在α+κ群落中。在550℃时效下,纳米-κ’能促进β-Mn沿晶界析出,不需要借助α相;而在700℃和800℃长时间时效下,由于α相的大量析出,其形成主要借助于γ→α反应。通过纳米压痕测试,获得了不同时效温度下基体与析出相的纳米硬度。计算得到理论层错能（SFE）为82.3 mJ/m2,由于平面滑移软化效应,变形模式以位错平面滑动为主,随着变形量的增加,主要的亚结构演变顺序为:平面位错队列→平面位错配置（偶极子和Lomer-Cottrell锁）→泰勒晶格→带。65锰冷轧钢板本研究利用压缩变形,观察到了高层错能下被抑制的形变孪晶以及一种多晶结构。通过分析理论临界孪生应力（σT）,当外加应力大于σT,形变孪晶出现。多晶结构内部以位错缠结为主,通过波状滑移形成了位错胞。并提出了多效协同的强化机理:1)位错平面滑移导致滑移带细化和带形成,2)形变孪晶,3)多晶结构。这些形变亚结构的出现共同限制了位错运动,促进基体内位错密度的不均匀,从而增强了应变硬化。低冲击载荷（0.5 J）下,时效后实验65mn锰钢板耐磨性更好,磨损百分比更低（0.55%～0.57%）。
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·%。
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