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。
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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。
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%）。
