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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
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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。
随着预应变量的增加,退火铁素体中的位错密度明显65锰钢板增加,部分稳定性差的大尺寸RA首先发生相变而使得RA量逐渐降低,稳定性逐渐提高;抗拉强度与屈服强度逐渐提高,而断后伸长率则逐渐降低。热轧退火实验钢具有高的氢脆敏感性,随着预应变量的增大,氢脆敏感性逐渐增大,以相对伸长率损失表征的氢脆敏感性指数由未变形样的75.9%提高到15%预应变样的83.2%。充氢样SSRT宏观断口边部存在脆性平台,其断裂机制主要为准解理断裂,且有较多二次裂纹。
65mn冷轧钢板退火实验钢具有超细晶等轴状的退火铁素体+RA复相组织,在预应变过程中发生了TWIP效应和TRIP效应并出现不稳定的中间相ε-马氏体。与热轧退火实验钢类似,预应变能够显著地改变冷轧退火实验钢的力学性能。冷轧退火中锰钢在拉伸过程中出现吕德斯带以及PLC现象。当预应变量等于吕德斯带对应的应变时,即预应变量约为3%时,可以使吕德斯带消失,但预应变对PLC效应则几乎没有影响。这主要与随着预应变量增加,实验钢中位错密度增加、RA稳定性提高、形变诱导马氏体含量增加及形变孪晶的产生等因素有关。对于冷轧退火中锰钢实验料,随着预应变量的增加,充氢试样中的可扩散氢含量显著增加而氢扩散系数降低。与热轧退火实验钢类似,冷轧退火实验钢同样表现出显著的氢脆敏感性,并且随着预应变量的增加,氢脆敏感性逐渐增大。
65锰钢板不同预应变量未充氢样的SSRT断口呈现典型的韧窝韧性断裂特征,而充氢预应变样断口由近表面的脆性沿晶+准解理的混合断裂向心部的韧窝韧性断裂模式逐渐转变。
结果表明,65锰钢板当变形方式由简单剪切变为单向拉伸再变为平面应变 变为等双拉时,奥氏体的稳定性逐渐下降。通过EBSD观察发现,不同变形方式下,随着应变量的增加,奥氏体逐渐发生畸变,部分奥氏体发生马氏体相变,铁素体内部几何必要位错密度增加。结合织构分析、Schmid因子及外力所做功的计算可知,变形方式由单向拉伸变为平面应变再变为等双拉时,奥氏体Schmid因子增加,同时机械外力所做的功上升,两种因素共同作用导致奥氏体的稳定性下降。而在简单剪切变形时,奥氏体Schmid因子较高,而机械外力所做的功 ,机械外力产生的相变驱动力较小,导致简单剪切变形时奥氏体的稳定性较高。以奥氏体在不同应变速率和变形方式下的稳定性为理论依据,利用弯曲回弹实验研究了成形工艺参数对中锰钢回弹行为的影响。
结果表明,弯曲变形后中锰钢厚度方向上发生不均匀变形。65mn锰冷轧钢板在增加冲压速度的条件下,弯曲内层区域的变形程度较低,导致发生马氏体相变的奥氏体体积分数减少及几何必要位错密度增加趋势减弱,使得加工硬化能力减弱,从而中锰钢的回弹角降低。在增加弯曲角度的条件下,弯曲内层区域的变形程度增加,使得发生马氏体相变的奥氏体体积分数增加以及几何必要位错密度增加,导致加工硬化增加,从而中锰钢的回弹角增加。当凹模跨距增加时,弯曲内层区域和外层区域的变形均降低,使得发生马氏体相变的奥氏体体积分数及几何必要位错密度呈现减弱趋势。在相同的总变形条件下,凹模跨距的增加,使得弹性变形阶段所占比例增大,因而中锰钢的回弹角增加。通过改变两相区退火工艺和轧制方式研究了奥氏体体积分数和织构对中锰钢弯曲回弹的影响。结果表明,奥氏体体积分数的增加,使得材料的弹性模量增加;制备不同奥氏体体积分数的两相区退火工艺使得中锰钢具有不同的屈服强度和加工硬化。
65mn锰冷轧钢板弹性模量、屈服强度和加工硬化的差异共同导致回弹角的变化。在不同的奥氏体织构条件下,中锰钢的弹性模量随着含<111>的织构组分强度的减弱而降低;同时其加工硬化能力随着含<1-10>和<001>的织构组分强度的增强而增加。弹性模量的降低和加工硬化能力的增加是回弹角增加的主要原因。考虑奥氏体体积分数和织构对弹性模量影响的有限元仿真模型,能够更地预测实验用中锰钢的回弹行为,其预测的回弹角更接近实验测定的回弹角。
