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。
本文意在解决高锰钢在低应力条件下耐磨性较差的缺点,同时满足其在高应力冲击下保持较好的冲击韧性,开展了高锰钢表面等离子熔覆FeCoNiCrMnTix高熵合金涂层的探索,研究了高65锰钢板锰钢表面等离子熔覆FeCoNiCrMnTix高熵合金涂层后,以及对FeCoNiCrMnTix高熵合金涂层/高锰钢基体进行时效处理后的组织与性能的演变,探明Ti元素的添加以及时效处理对于FeCoNiCrMn系高熵合金涂层组织与性能的影响,为后续在高锰钢表面制备出能够承受高低应冲击高熵合金耐磨涂层提供参考。
试验结果表明:FeCoNiCrMnTix高熵合金涂层在熔覆后表层晶粒结构为等轴晶,同时有少量共晶组织产生,熔覆层中部为树枝晶,与基体接触的熔覆层底部为胞状晶;在时效后熔覆层整体的等轴晶增多,相应的树枝晶和胞状晶有所减少。熔覆后FeCoNiCrMnTix的物相构成比较单一稳定,65mn冷轧钢板当x=0的时候熔覆层的物相组成由单一的FCC相组成,主要相为Fe0.64Ni0.36,当Ti元素加入后,有BCC相Co3Ti产生,且新相Co3Ti的峰值也随Ti元素的增多而提高。在时效过后熔覆层的物相组成没有很大差别,Co3Ti析出物有了明显的增多,峰值也有了明显的提高。整体上各个试样的硬度从熔覆层到热影响区再到基体呈下降趋势。
65mn锰冷轧钢板熔覆后的涂层硬度由表至里变化趋势略下降;时效处理后的涂层硬度由表至里的下降趋势不明显,涂层的硬度较为平均,且时效处理前后的试样 硬度值都随Ti含量的增多而。其中基体的硬度值在220.4HV左右,熔覆后的高熵合金涂层 硬度值为344.5HV。时效处理后FeCoNiCrMnTi0.5高熵合金涂层的 硬度值为469.7HV。
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%）。
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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3）65锰冷轧钢板o热轧实验钢佳临界退火+淬火和配分（IA&QP）工艺参数为760℃临界区退火30min,180℃等温淬火10s并在350℃等温配分180s。该工艺下热轧实验钢展现出了 力学性能,即抗拉强度1231MPa,伸长率24.8%,强塑积可达30.5GPa·%。IA&QP工艺处理后4Mn-Nb-Mo热轧实验钢的抗拉强度均超过了 1024MPa,但伸长率和RA含量不高。
（4）采用新型循环淬火和奥氏体逆相变（CQ-ART）65锰钢板工艺处理后的4Mn-Nb-Mo冷轧实验钢,晶粒尺寸得到了明显的细化,同时RA含量显著提高。两次循环淬火后的CQ2-ART冷轧试样具有高RA含量（62.0%）、佳晶粒尺寸（0.40μm）以及稳定性;这为RA在变形期间TRIP效应的产生提供了有力的保证。终CQ2-ART试样获得了 综合性能,即抗拉强度为838MPa,伸长率为90.8%,强塑积达到76.1GPa·%。（5）研究4Mn-Nb-Mo和5Mn-Nb-Mo实验钢奥氏体稳定性因素,发现Mn元素的含量是影响其稳定性的主要因素。不同晶粒尺寸和Mn含量的RA具有不同等级的RA稳定性。实验钢RA中存在明显的Mn配分行为,进而导致RA具有不同级别的稳定性,也因此表现出不同的加工硬化行为。本论文设计的4Mn-Nb-Mo和5Mn-Nb-Mo两种低合金实验钢在拥有明显综合性能优势的同时达到了尽量减少总合金元素含量的目的。
（6）65锰钢板三种实验钢S3阶段加工硬化率曲线的大幅度波动归因于不连续TRIP效应。其原因在于RA在拉伸过程中转变为马氏体并且发生了体积膨胀,进而抵消部分应力集中并使应力转移到周围相中而产生协同变形,伴随着应力的松弛和转移;其次,实验钢中的RA需要有不同等级批次的稳定性,当应力值达到或超过该等级批次RA可发生相变的临界值才可产生TRIP效应。（7）Ms点受到RA中化学成分、晶粒尺寸、屈服强度和应力状态等作用影响。可通过将实验钢MSσ温度控制在使用温度以下,以获得更多更稳定的RA,进而产生更为广泛的TRIP效应,终提高实验钢的综合性能。
