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目前,随着第三代汽车用现金高强65锰钢板的开发,越来越多的高品质中锰钢出现。中锰钢内有大量亚稳奥氏体组织,在变形过程中伴随着相变的发生,能够提高材料的强度和塑性。但目前科研人员大多聚焦在中锰钢成分及组织调控方面,对于中锰钢实际应用鲜有关注。本文基于原位扫描电镜观察,DIC光学实验观察,XRD检测分析及不同应变量样品的透射电镜观察分析研究了5Mn中锰钢单轴拉伸过程中的变形机理,结合观组织表征、力学性能测试和仿真分析,探索中锰钢成形性能、强韧化机理及实际生产可行性。
5Mn中锰钢强塑积可达到30GPa.%以上,基体为铁素体及奥氏体组织,可能存在冷轧及热处理引入的少量板条马氏体,其中奥氏体分为大晶粒和小晶粒两种类型,大晶粒奥氏体稳定性低于小晶粒奥氏体。单轴拉伸过程中,屈服阶段奥氏体向马氏体转变的转变量较少,因此吕德斯应变仅为1%左右（远低于同类中锰钢）,屈服结束后较多大晶粒奥氏体发生相变,20%变形后大量小晶粒奥氏体发生相变。由于奥氏体晶粒较小,因此相变产生的可动位错数量适中,产生连续传播的A型PLC带。部分大晶粒奥氏体在变形过程中出现层错,其相变过程为奥氏体—ε马氏体—α’-马氏体。本文通过埃里克森杯突实验,扩孔实验及成形极限实验研究了5Mn中锰钢的成形性能。65mn锰冷轧钢板钢拥有良好的杯突性能,在光洁区域杯突值可达到12mm以上。实验采用激光切割,线切割及冲孔三种预制孔加工工艺研究制孔工艺对扩孔性能的影响,结果显示线切割制孔样扩孔性能 ,激光切割制孔样扩孔性能最为稳定,冲孔样由于冲孔过程中局部材料存在相变及加工硬化,因此扩孔性能
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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钢的开路电位最正（65mn锰冷轧钢板）,极化曲线外推拟合腐蚀电压 ,腐蚀电流最小,且容抗弧半径最小,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
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,能够更精确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。
