本文意在解決高錳鋼在低應(yīng)力條件下耐磨性較差的缺點(diǎn),同時(shí)滿足其在高應(yīng)力沖擊下保持較好的沖擊韌性,開展了高錳鋼表面等離子熔覆FeCoNiCrMnTix高熵合金涂層的探索,研究了高65錳鋼板錳鋼表面等離子熔覆FeCoNiCrMnTix高熵合金涂層后,以及對FeCoNiCrMnTix高熵合金涂層/高錳鋼基體進(jìn)行時(shí)效處理后的組織與性能的演變,探明Ti元素的添加以及時(shí)效處理對于FeCoNiCrMn系高熵合金涂層組織與性能的影響,為后續(xù)在高錳鋼表面制備出能夠承受高低應(yīng)沖擊高熵合金耐磨涂層提供參考。
試驗(yàn)結(jié)果表明:FeCoNiCrMnTix高熵合金涂層在熔覆后表層晶粒結(jié)構(gòu)為等軸晶,同時(shí)有少量共晶組織產(chǎn)生,熔覆層中部為樹枝晶,與基體接觸的熔覆層底部為胞狀晶;在時(shí)效后熔覆層整體的等軸晶增多,相應(yīng)的樹枝晶和胞狀晶有所減少。熔覆后FeCoNiCrMnTix的物相構(gòu)成比較單一穩(wěn)定,65mn冷軋鋼板當(dāng)x=0的時(shí)候熔覆層的物相組成由單一的FCC相組成,主要相為Fe0.64Ni0.36,當(dāng)Ti元素加入后,有BCC相Co3Ti產(chǎn)生,且新相Co3Ti的峰值也隨Ti元素的增多而提高。在時(shí)效過后熔覆層的物相組成沒有很大差別,Co3Ti析出物有了明顯的增多,峰值也有了明顯的提高。整體上各個(gè)試樣的硬度從熔覆層到熱影響區(qū)再到基體呈下降趨勢。
65mn錳冷軋鋼板熔覆后的涂層硬度由表至里變化趨勢略下降;時(shí)效處理后的涂層硬度由表至里的下降趨勢不明顯,涂層的硬度較為平均,且時(shí)效處理前后的試樣 硬度值都隨Ti含量的增多而。其中基體的硬度值在220.4HV左右,熔覆后的高熵合金涂層 硬度值為344.5HV。時(shí)效處理后FeCoNiCrMnTi0.5高熵合金涂層的 硬度值為469.7HV。
預(yù)硬化以及服役過程中的變形會使得高錳鋼組織性能發(fā)生改變,相應(yīng)的腐蝕性能發(fā)生改變。
本文旨在研究變形對65錳鋼板高錳鋼腐蝕性能的影響,可為其在服役環(huán)境中的腐蝕評價(jià)及防護(hù)提供參考。依據(jù)變形后高錳鋼組織性能的變化,選取變形量為0%,20%,40%,60%四個(gè)有代表性的變形量進(jìn)行研究。本文以變形量為0%,20%,40%,60%的高錳鋼為研究對象,分別進(jìn)行電化學(xué)測試、慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)和鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)。利用金相、XRD、EBSD和TEM表征方法觀察形變對高錳鋼組織結(jié)構(gòu)的影響。利用增重法、極化曲線和電化學(xué)阻抗譜分析方法研究不同變形量的高錳鋼在不同腐蝕條件下的腐蝕行為。結(jié)合SEM對腐蝕后的表面形貌的對比和XRD對銹層成分分析來探究不同腐蝕條件下的腐蝕機(jī)理。65mn錳冷軋鋼板研究結(jié)果表明:隨著軋制變形量的增大,位錯(cuò)密度逐漸提高,形變孿晶數(shù)量逐漸增加。孿晶的生成阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動,使得高錳鋼硬度提高;位錯(cuò)密度隨著軋制變形量增大而提高,位錯(cuò)密度的提高是影響高錳鋼腐蝕性能的主導(dǎo)因素。位錯(cuò)密度的提高使得高錳鋼表面處于高度無序的狀態(tài)增強(qiáng),表面的電子活性增大,不僅為陰陽離子快速傳輸提供更多的通道,還促進(jìn)滑移臺階的形成與發(fā)展,利于化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。
65mn錳冷軋鋼板高錳鋼受拉應(yīng)力和腐蝕性介質(zhì)的共同作用,斷裂方式呈現(xiàn)脆性斷裂,塑韌性受到了損失。應(yīng)力腐蝕敏感性隨著變形量的增大而增大。高錳鋼的基體和銹層產(chǎn)物共同作用影響其耐鹽霧腐蝕的性能,銹層產(chǎn)物主要由?-Fe OOH、?-FeOOH、?-Fe OOH、Fe3O4等組成。變形量大的高錳鋼因鋼基體活性較大和銹層產(chǎn)物中存在更多的具有一定反應(yīng)活性的?-FeOOH和Fe3O4而耐蝕性較差
相應(yīng)的研究結(jié)果分別如下:相圖計(jì)算及膨脹儀熱模擬結(jié)果表明,65mn錳冷軋鋼板Al元素有效拓寬了臨界區(qū)溫度工藝窗口;DICTRA軟件對具有相同平衡態(tài)兩相比例臨界區(qū)奧氏體化過程的元素配分模擬顯示Al元素的添加顯著了合金元素（尤其是有利于錳鋁等置換元素）的擴(kuò)散效率,有助于殘留奧氏體中碳錳元素的富集與穩(wěn)定;高鋁添加導(dǎo)致δ鐵素體存留至室溫,降低了含鋁中錳TRIP鋼抗拉強(qiáng)度的同時(shí)了PLC現(xiàn)象;原位拉伸SEM中δ鐵素體內(nèi)大量交錯(cuò)的位錯(cuò)滑移帶證明了其良好的應(yīng)變協(xié)調(diào)性。
臨界區(qū)奧氏體化溫度通過調(diào)控臨界區(qū)奧氏體比例實(shí)現(xiàn)含鋁中錳鋼的多元強(qiáng)度級別設(shè)計(jì)。相較含鋁中錳TRIP鋼而言,以回火馬氏體組織為主要基體“骨架”的含鋁中錳IQ-TP鋼展現(xiàn)出更高的屈服強(qiáng)度;XRD和APT檢測到殘留奧氏體內(nèi)的碳錳元素富集、相界面處錳鋁元素的偏聚等現(xiàn)象證明了回火配分階段合金元素的局部平衡（LE）。65錳冷軋鋼板IQ--TP工藝下臨界區(qū)奧氏體化及回火過程兩階段的元素配分促進(jìn)了殘留奧氏體碳錳元素的富集,同時(shí)回火馬氏體組織切割細(xì)化了殘留奧氏體晶粒進(jìn)一步增加了其穩(wěn)定性,
65錳鋼板因而含鋁中錳IQ-TP鋼表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。以4Mn1Al鋼為例,其熱軋IQ-TP鋼,抗拉強(qiáng)度達(dá)1425±43MPa,同時(shí)延伸率25.9±3.8%,均明顯優(yōu)于含鋁中錳TRIP鋼抗拉強(qiáng)度1345MPa,延伸率18.9%的 力學(xué)性能。而4Mn2Al熱軋IQ-TP鋼抗拉強(qiáng)度達(dá)1319±39MPa,延伸率27.4±1.1%。膨脹儀組織熱模擬及EPMA成分分析證實(shí)了含鋁中錳TRIP鋼冷軋退火組織的異常長大現(xiàn)象受控于錳鋁元素偏析下關(guān)鍵溫度區(qū)間的加熱速率。富Al貧Mn區(qū)抑制了奧氏體的形核,慢加熱速率為形變馬氏體的再結(jié)晶行為及晶粒長大提供了充分的動力學(xué)條件。超細(xì)晶冷軋含鋁中錳TRIP鋼由于其較小的位錯(cuò)運(yùn)動平均自由程,具有明顯的屈服平臺。異常長大的鐵素體帶提供了應(yīng)變初期較高的加工硬化率,有利于縮短材料的屈服平臺延伸率。而含鋁中錳IQ-TP鋼由于馬氏體組織及幾何必要位錯(cuò)的存在呈現(xiàn)出連續(xù)屈服特征。含鋁中錳IQ-TP鋼的塑性主要源于軟相板條形態(tài)鐵素體的“潤滑劑”效應(yīng)以及殘留奧氏體的持續(xù)性TRIP效應(yīng)。
作為新型超低溫用鋼,65錳鋼板高錳奧氏體鋼因的力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)的造價(jià)而具有廣范的應(yīng)用前景。對高錳奧氏體鋼的工程使用而言,保證焊縫金屬的力學(xué)性能同樣重要,因此,配套焊接材料的研發(fā)是關(guān)鍵。
本研究從合金元素對熔敷金屬組織類型、機(jī)械穩(wěn)定性和凝固裂紋敏感性的影響等方面考慮,設(shè)計(jì)了一種全奧氏體組織類型的高錳鋼熔敷金屬,其成分體系為C:0.2～0.5%、Mn:20.0～24.0%、Ni+Cr:4.0～8.0%,在此成分體系下熔敷金屬具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性和低凝固裂紋敏感性。根據(jù)成分體系研制了高錳鋼用實(shí)芯焊絲、金屬粉型藥芯焊絲和電焊條以及埋弧焊劑,并分別采用鎢極氬弧焊、65mn錳冷軋鋼板埋弧焊和手工電弧焊制備了高錳鋼熔敷金屬,采用常溫拉伸、-196°C沖擊和OM、EBSD、XRD等試驗(yàn)方法對熔敷金屬的力學(xué)性能和觀組織進(jìn)行了詳細(xì)的分析。力學(xué)性能分析結(jié)果顯示,熔敷金屬的屈服強(qiáng)度為323～495MPa,抗拉強(qiáng)度為600～732MPa,斷后伸長率為36.0%～39.0%,-196°C平均沖擊值為41～68J。熔敷金屬觀組織分析結(jié)果顯示,組織類型為全奧氏體,呈胞狀樹枝晶結(jié)構(gòu),C、Mn、S等元素存在一定程度的顯偏析,組織中存在大量Al2O3、SiO2、MnS類型的夾雜物。
熔敷金屬良好的超低溫沖擊韌性主要緣于其全奧氏體組織類型,熔敷金屬在沖擊變形過程中發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變（γ→ε-M→α’-M）,65錳冷軋鋼板也在一定程度上提高了低溫沖擊功,熔敷金屬中直徑>0.5μm的夾雜物密度較低,是保持低溫韌性的另一個(gè)關(guān)鍵因素,而C元素在一次奧氏體相的偏析則會致使組織發(fā)生低溫脆斷。采用金屬粉型藥芯焊絲和電焊條制備了高錳低溫鋼焊接接頭,接頭中焊縫金屬的屈服強(qiáng)度為468～489MPa,抗拉強(qiáng)度為700～736MPa,斷后伸長率分別為37.0%～37.5%,-196°C平均沖擊值為68～83J,焊縫金屬具有良好的力學(xué)性能,焊接材料與高錳低溫鋼匹配性較好。
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