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。
将成形实验数据与Keeler公式结合计算得到材料的成形极限图,结果显示Keeler公式计算所得成形极限图与实测值较为接近,可用于5Mn钢的成形极限计算。65锰冷轧钢板此外,为了研究剪切工艺对中锰钢力学性能的影响,本文分别采用0.03t、0.05t、0.067t、0.10t、0.12t（t为板料厚度）五种不同间隙进行冲裁,发现间隙为0.03t时5Mn中锰钢边部形貌 ,毛刺小且边部影响区浅,力学性能也为优异。0.12t间隙样对应毛刺 且边部硬化为严重,因此力学性能差。为进一步探究剪切工艺对5Mn钢力学性能的影响,增加激光及线切割样进行对比。结果显示激光切割同样存在边部硬化情况,但影响区很窄,对力学性能影响极小。
65mn锰冷轧钢板·线切割对材料边部形貌基本无影响,对应了 力学性能。后,为探究5Mn钢的实际应用潜力,进行了汽车零件进气端锥的试制及仿真分析。试制结果显示,5Mn钢可满足零件现有制造工艺要求,9道工序后未出现开裂情况,与现用材料304不锈钢持平。通过Autoform软件进行仿真分析,结合成形极限分布分析,证明中锰钢成形性能优异,总体可满足零件生产要求。
为了减少马氏体中锰钢因韧塑性能不足而产生的开裂和磨损失效,本文利用淬火-配分（Q&P）工艺在马氏体中锰钢基体中引入一定体积分数残余奥氏体,借助OM、SEM观察观组织形貌,采用TEM、EBSD、XRD等技术分析残余奥氏体形貌65锰冷轧钢板、分布与体积分数,使用硬度计、65锰钢板拉伸试验机测试钢的强韧性能,借助磨粒磨损试验机测试钢的抗磨损性能。研究了不同冷却速率对相变行为的影响,淬火-配分（Q&P）工艺对组织演变、强度及磨损性能的影响。
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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。