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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。
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。
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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%）。
