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
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,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,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。
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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%）。
2）选取机械性能 的两种材料65mn锰冷轧钢板0Si退火10min试样、0.6Si退火30min试样）,在1×10-4/s～1×10-1/s的应变速率下进行实验,机械性能和断裂行为的研究表明:随着应变速率的增加,由于TRIP效应被抑制,0Si和0.6Si的抗拉强度和延伸率均大幅度降低,且0.6Si的延伸率降低的更快,比如:0Si的延伸率由44%下降至33%,0.6Si的延伸率由55%下降至35%。随着应变速率的增加,0Si的断面收缩率基本不变（约为70%）,0.6Si的断面收缩率大约由51%增加至72%。应变速率并未影响0Si和0.6Si的断裂行为。然而,随着应变速率的降低,表面裂纹的形核数量增加,扩展速率降低;断口的韧窝尺寸降低,二次裂纹数量和尺寸增加。
（3）选取四种材料（0Si和0.6Si均退火3min和30min试样）,65锰钢板系统的研究了成分和退火时间对氢脆性能和氢致断裂行为的影响。关于退火时间:随着退火时间的增加,0Si和0.6Si的氢脆敏感性均呈现上升趋势,比如:当退火3min时,0Si/0.6Si的塑性损失和强度损失分别为13.5%/46.7%和0.0%/1.7%;当退火30min时,0Si/0.6Si的塑性损失和强度损失分别为79.2%/76.5%和26.8%/6.3%。关于成分:退火3min时,0Si的氢脆敏感性较低;退火30min时,0.6Si的氢脆敏感性较低。相比空拉断裂行为而言,氢原子促进裂纹更容易形核与扩展,进而导致材料提前断裂。对于0Si:裂纹形核与氢原子无关,但是,氢致裂纹呈沿晶和穿晶扩展。对于0.6Si:裂纹形核与扩展与氢原子无关,断口则由细小的韧窝变为脆性准解理。
5）在不劣化市售马氏体材料（S0）65mn锰冷轧钢板机械性能的基础上,二次回火不同时间（30min,60min,120min）,试样分别记为 S30、S60 和 S120,发现,二次回火工艺可以有效地提高其抗氢脆性能,如下:S0和S60的塑性损失和强度损失分别为100.0%/79.3%和35.9%/1.7%。二次回火试样抗氢脆性能高的原因如下:1、不可逆氢陷阱MoyCx析出物的长大;2、渗碳体/基体界面的增加;渗碳体/基体应变界面具有较高的陷阱能;3、位错密度的降低。
