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日益增长的节能环保要求正不断推动着汽车轻量化进程,相较镁铝等轻质材料,65锰冷轧钢板汽车用钢面临着全流程绿色生产、高强高塑及优良成形性等多方面的挑战。
以中锰钢和淬火&配分（Q&P）钢为典型代表的第三代先进高强钢（AHSS）在汽车轻量化材料中具有良好的竞争力65锰钢板。本论文主要从第三代AHSS的关键相——亚稳态残留奥氏体的设计出发,结合中锰钢的奥氏体逆转变退火（ART）工艺及Q&P工艺,设计并制备了具有高残留奥氏体含量的超高强含铝中锰钢,系统性探索残留奥氏体含量、形态、尺寸及周围基体相的分布与其相变诱导塑性（TRIP）效应的相互关系,实现低成本、简工序的超高强（抗拉强度>1300MPa,强塑积>35GPa·%）含铝中锰钢的组织调控及强韧化机制研究。低成本无合金元素的“C-Si-Mn-Al”系成分设计及短工序低能耗的制备流程为汽车轻量化提供了优质的选材。
采用0.3C-1.5Si-4Mn,wt.%为基本合金体系,利用梯度铝含量（1\2\4,wt.%）调控中锰系钢的临界区温度及工艺窗口,实现高65mn锰冷轧钢板强度的基体组织设计,即“铁素体+残留奥氏体”的含铝中锰TRIP钢及“铁素体+回火马氏体+残留奥氏体”的含铝中锰淬火及回火配分（IQ-TP）钢。采用扫描电镜SEM、透射电镜TEM、电子背散射衍射EBSD、X射线衍射仪XRD等显组织形貌表征技术及相分析手段,结合原位变形技术系统性分析超高强含铝中锰钢的多元复合组织构成、应变协调性及强韧化机制;同时借助于电子探针EPMA分析宏观元素偏析行为,利用Thermo calc\DICTRA热力学动力学软件及原子探针层析术（APT）等深层次揭示观元素配分规律;合理调控临界区奥氏体化温度、加热速率、65mn锰冷轧钢板压下率等工艺参数,实现残留奥氏体及其他基本相的 化配置,改善或消除中锰系钢中的屈服平台及PLC塑性失稳现象。
作为新型超低温用钢,65锰钢板高锰奥氏体钢因优秀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。
预硬化以及服役过程中的变形会使得高锰钢组织性能发生改变,相应的腐蚀性能发生改变。
本文旨在研究变形对65锰钢板高锰钢腐蚀性能的影响,可为其在服役环境中的腐蚀评价及防护提供参考。依据变形后高锰钢组织性能的变化,选取变形量为0%,20%,40%,60%四个有代表性的变形量进行研究。本文以变形量为0%,20%,40%,60%的高锰钢为研究对象,分别进行电化学测试、慢应变速率拉伸试验和盐雾腐蚀实验。利用金相、XRD、EBSD和TEM表征方法观察形变对高锰钢组织结构的影响。利用增重法、极化曲线和电化学阻抗谱分析方法研究不同变形量的高锰钢在不同腐蚀条件下的腐蚀行为。结合SEM对腐蚀后的表面形貌的对比和XRD对锈层成分分析来探究不同腐蚀条件下的腐蚀机理。65mn锰冷轧钢板研究结果表明:随着轧制变形量的增大,位错密度逐渐提高,形变孪晶数量逐渐增加。孪晶的生成阻碍了位错的运动,使得高锰钢硬度提高;位错密度随着轧制变形量增大而提高,位错密度的提高是影响高锰钢腐蚀性能的主导因素。位错密度的提高使得高锰钢表面处于高度无序的状态增强,表面的电子活性增大,不仅为阴阳离子快速传输提供更多的通道,还促进滑移台阶的形成与发展,利于化学反应的进行。
65mn锰冷轧钢板高锰钢受拉应力和腐蚀性介质的共同作用,断裂方式呈现脆性断裂,塑韧性受到了损失。应力腐蚀敏感性随着变形量的增大而增大。高锰钢的基体和锈层产物共同作用影响其耐盐雾腐蚀的性能,锈层产物主要由?-Fe OOH、?-FeOOH、?-Fe OOH、Fe3O4等组成。变形量大的高锰钢因钢基体活性较大和锈层产物中存在更多的具有一定反应活性的?-FeOOH和Fe3O4而耐蚀性较差
相应的研究结果分别如下:相图计算及膨胀仪热模拟结果表明,65mn锰冷轧钢板Al元素有效拓宽了临界区温度工艺窗口;DICTRA软件对具有相同平衡态两相比例临界区奥氏体化过程的元素配分模拟显示Al元素的添加显著提升了合金元素（尤其是有利于锰铝等置换元素）的扩散效率,有助于残留奥氏体中碳锰元素的富集与稳定;高铝添加导致δ铁素体存留至室温,降低了含铝中锰TRIP钢抗拉强度的同时消除了PLC现象;原位拉伸SEM中δ铁素体内大量交错的位错滑移带证明了其良好的应变协调性。
临界区奥氏体化温度通过调控临界区奥氏体比例实现含铝中锰钢的多元强度级别设计。相较含铝中锰TRIP钢而言,以回火马氏体组织为主要基体“骨架”的含铝中锰IQ-TP钢展现出更高的屈服强度;XRD和APT检测到残留奥氏体内的碳锰元素富集、相界面处锰铝元素的偏聚等现象证明了回火配分阶段合金元素的局部平衡（LE）。65锰冷轧钢板IQ--TP工艺下临界区奥氏体化及回火过程两阶段的元素配分促进了残留奥氏体碳锰元素的富集,同时回火马氏体组织切割细化了残留奥氏体晶粒进一步增加了其稳定性,
65锰钢板因而含铝中锰IQ-TP钢表现出优异的力学性能。以4Mn1Al钢为例,其热轧IQ-TP钢,抗拉强度达1425±43MPa,同时延伸率25.9±3.8%,均明显优于含铝中锰TRIP钢抗拉强度1345MPa,延伸率18.9%的 力学性能。而4Mn2Al热轧IQ-TP钢抗拉强度达1319±39MPa,延伸率27.4±1.1%。膨胀仪组织热模拟及EPMA成分分析证实了含铝中锰TRIP钢冷轧退火组织的异常长大现象受控于锰铝元素偏析下关键温度区间的加热速率。富Al贫Mn区抑制了奥氏体的形核,慢加热速率为形变马氏体的再结晶行为及晶粒长大提供了充分的动力学条件。超细晶冷轧含铝中锰TRIP钢由于其较小的位错运动平均自由程,具有明显的屈服平台。异常长大的铁素体带提供了应变初期较高的加工硬化率,有利于缩短材料的屈服平台延伸率。而含铝中锰IQ-TP钢由于马氏体组织及几何必要位错的存在呈现出连续屈服特征。含铝中锰IQ-TP钢的塑性主要源于软相板条形态铁素体的“润滑剂”效应以及残留奥氏体的持续性TRIP效应。
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