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作为新型超低温用钢,65锰钢板高锰奥氏体钢因优秀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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近年来,中65锰钢板因具有优异的强塑积且兼顾了经济性与工业可行性而成为了第三代汽车用钢中的一个研究热点,如何进一步提高其力学性能是人们研究的重点之一。
基于此,本文在传统中锰钢研究的基础上,设计了一种V合金化中锰钢并对其进行了热轧、冷轧、温轧及随后的两相区退火处理,较为系统地研究了实验钢在不同轧制状态及不同退火温度下的观组织和力学性能变化规律,探讨了V合金化对中锰钢强度的影响。得到的主要结果如下:本文通过研究热轧+两相区退火（625℃-800℃）处理的实验钢组织与力学性能,得出的结果表明:实验钢组织主要为长条状δ-铁素体、板条状的α-铁素体+残余奥氏体（Retained austenite,RA）以及大量细小弥散的VC析出相。对于625℃和750℃的两相区退火试样,VC的析出强化增量分别为-347 MPa和-234 MPa;随着退火温度（Intercritical annealing temperature,TIA）的提升,65锰冷轧钢板VC析出相尺寸增大和RA板条粗化引起了屈服强度的显著降低。
随着TIA的提升,RA含量先增加后降低,稳定性持续降低,导致实验钢的强塑积先增加后降低;当TIA为725℃时,可获得高达-50GPa·%的强塑积,并且屈服强度达到890 MPa,从而具有优异的强塑性配合。通过研究冷轧+两相区退火（650℃-800℃）处理的实验钢组织与力学性能,其结果表明:冷轧退火态实验钢的组织主要为长条状δ-铁素体、等轴状α-铁素体+RA以及大量细小弥散的VC析出相。65mn锰冷轧钢板其中,当TIA较低时,组织中存在少量板条状组织;随着TIA升高,板条状组织逐渐消失,等轴状组织逐渐增多。此外,随着TIA的升高,RA含量逐渐增加而RA稳定性持续降低,导致实验钢的强塑积先增加后降低。其中,当TIA为700℃时,获得高达-52.6GPa·%的强塑积。通过研究温轧以及温轧+两相区退火（650℃-800℃）处理的实验钢组织与力学性能,其结果表明:温轧原始态及温轧+退火态实验钢的组织均为δ-铁素体、板条状与少量等轴状共存的α-铁素体+RA以及大量细小弥散VC析出相。当TIA为650-750℃时,其强塑积均能保持在50 GPa·%以上,这表明温轧处理使实验钢具有较宽的热处理工艺窗口。因此,温轧处理有可能成为一种简化传统中锰钢生产应用的新方法。
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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