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的運(yùn)動,使得高錳鋼硬度提高;位錯密度隨著軋制變形量增大而提高,位錯密度的提高是影響高錳鋼腐蝕性能的主導(dǎo)因素。位錯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
目前,隨著第三代汽車用現(xiàn)金高強(qiáng)65錳鋼板的開發(fā),越來越多的高品質(zhì)中錳鋼出現(xiàn)。中錳鋼內(nèi)有大量亞穩(wěn)奧氏體組織,在變形過程中伴隨著相變的發(fā)生,能夠提高材料的強(qiáng)度和塑性。但目前科研人員大多聚焦在中錳鋼成分及組織調(diào)控方面,對于中錳鋼實(shí)際應(yīng)用鮮有關(guān)注。本文基于原位掃描電鏡觀察,DIC光學(xué)實(shí)驗(yàn)觀察,XRD檢測分析及不同應(yīng)變量樣品的透射電鏡觀察分析研究了5Mn中錳鋼單軸拉伸過程中的變形機(jī)理,結(jié)合觀組織表征、力學(xué)性能測試和仿真分析,探索中錳鋼成形性能、強(qiáng)韌化機(jī)理及實(shí)際生產(chǎn)可行性。
5Mn中錳鋼強(qiáng)塑積可達(dá)到30GPa.%以上,基體為鐵素體及奧氏體組織,可能存在冷軋及熱處理引入的少量板條馬氏體,其中奧氏體分為大晶粒和小晶粒兩種類型,大晶粒奧氏體穩(wěn)定性低于小晶粒奧氏體。單軸拉伸過程中,屈服階段奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)變量較少,因此呂德斯應(yīng)變僅為1%左右（遠(yuǎn)低于同類中錳鋼）,屈服結(jié)束后較多大晶粒奧氏體發(fā)生相變,20%變形后大量小晶粒奧氏體發(fā)生相變。由于奧氏體晶粒較小,因此相變產(chǎn)生的可動位錯數(shù)量適中,產(chǎn)生連續(xù)傳播的A型PLC帶。部分大晶粒奧氏體在變形過程中出現(xiàn)層錯,其相變過程為奧氏體—ε馬氏體—α’-馬氏體。本文通過埃里克森杯突實(shí)驗(yàn),擴(kuò)孔實(shí)驗(yàn)及成形極限實(shí)驗(yàn)研究了5Mn中錳鋼的成形性能。65mn錳冷軋鋼板鋼擁有良好的杯突性能,在光潔區(qū)域杯突值可達(dá)到12mm以上。實(shí)驗(yàn)采用激光切割,線切割及沖孔三種預(yù)制孔加工工藝研究制孔工藝對擴(kuò)孔性能的影響,結(jié)果顯示線切割制孔樣擴(kuò)孔性能 ,激光切割制孔樣擴(kuò)孔性能為穩(wěn)定,沖孔樣由于沖孔過程中局部材料存在相變及加工硬化,因此擴(kuò)孔性能
隨著預(yù)應(yīng)變量的增加,退火鐵素體中的位錯密度明顯65錳鋼板增加,部分穩(wěn)定性差的大尺寸RA首先發(fā)生相變而使得RA量逐漸降低,穩(wěn)定性逐漸提高;抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度逐漸提高,而斷后伸長率則逐漸降低。熱軋退火實(shí)驗(yàn)鋼具有高的氫脆敏感性,隨著預(yù)應(yīng)變量的增大,氫脆敏感性逐漸增大,以相對伸長率損失表征的氫脆敏感性指數(shù)由未變形樣的75.9%提高到15%預(yù)應(yīng)變樣的83.2%。充氫樣SSRT宏觀斷口邊部存在脆性平臺,其斷裂機(jī)制主要為準(zhǔn)解理斷裂,且有較多二次裂紋。
65mn冷軋鋼板退火實(shí)驗(yàn)鋼具有超細(xì)晶等軸狀的退火鐵素體+RA復(fù)相組織,在預(yù)應(yīng)變過程中發(fā)生了TWIP效應(yīng)和TRIP效應(yīng)并出現(xiàn)不穩(wěn)定的中間相ε-馬氏體。與熱軋退火實(shí)驗(yàn)鋼類似,預(yù)應(yīng)變能夠顯著地改變冷軋退火實(shí)驗(yàn)鋼的力學(xué)性能。冷軋退火中錳鋼在拉伸過程中出現(xiàn)呂德斯帶以及PLC現(xiàn)象。當(dāng)預(yù)應(yīng)變量等于呂德斯帶對應(yīng)的應(yīng)變時,即預(yù)應(yīng)變量約為3%時,可以使呂德斯帶消失,但預(yù)應(yīng)變對PLC效應(yīng)則幾乎沒有影響。這主要與隨著預(yù)應(yīng)變量增加,實(shí)驗(yàn)鋼中位錯密度增加、RA穩(wěn)定性提高、形變誘導(dǎo)馬氏體含量增加及形變孿晶的產(chǎn)生等因素有關(guān)。對于冷軋退火中錳鋼實(shí)驗(yàn)料,隨著預(yù)應(yīng)變量的增加,充氫試樣中的可擴(kuò)散氫含量顯著增加而氫擴(kuò)散系數(shù)降低。與熱軋退火實(shí)驗(yàn)鋼類似,冷軋退火實(shí)驗(yàn)鋼同樣表現(xiàn)出顯著的氫脆敏感性,并且隨著預(yù)應(yīng)變量的增加,氫脆敏感性逐漸增大。
65錳鋼板不同預(yù)應(yīng)變量未充氫樣的SSRT斷口呈現(xiàn)典型的韌窩韌性斷裂特征,而充氫預(yù)應(yīng)變樣斷口由近表面的脆性沿晶+準(zhǔn)解理的混合斷裂向心部的韌窩韌性斷裂模式逐漸轉(zhuǎn)變。
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)行時效處理后的組織與性能的演變,探明Ti元素的添加以及時效處理對于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。時效處理后FeCoNiCrMnTi0.5高熵合金涂層的 硬度值為469.7HV。
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傳統(tǒng)高錳鋼在中低載荷工況下不具有優(yōu)勢,在其基礎(chǔ)上通過降低或增加碳錳元素含量研發(fā)出中錳和超65錳鋼板高錳鋼,在一定程度上彌補(bǔ)了其應(yīng)用中存在的不足。
本文對比研究了Mn8、Mn15及Mn18三種錳鋼的滑動和沖擊磨料磨損性能,分析了磨損機(jī)理。同時模擬礦井淋水腐蝕環(huán)境,探討了三種錳鋼的電化學(xué)腐蝕性能,論文得到以下主要結(jié)論:酸性礦井淋水腐蝕條件下,三種錳鋼表現(xiàn)出更負(fù)的腐蝕電位,酸性工況下耐腐蝕性能弱于堿性和中性腐蝕環(huán)境。酸、中、堿性礦井淋水腐蝕環(huán)境中,Mn8鋼的開路電位正（65mn錳冷軋鋼板）,極化曲線外推擬合腐蝕電壓 ,腐蝕電流小,且容抗弧半徑小,其耐腐蝕性能優(yōu)于Mn15和Mn18耐磨鋼?；瑒幽p實(shí)驗(yàn)表明,三種錳鋼的摩擦系數(shù)均呈現(xiàn)先快速升高,后下降到一定的范圍趨于平穩(wěn)的變化趨勢,低載平均摩擦系數(shù)高于高載。相同磨損工況條件下,Mn8均具有 磨損失重,其抗滑動磨料磨損性能優(yōu)于Mn15和Mn18耐磨鋼。
三種耐磨鋼磨損層硬度分布均呈現(xiàn)梯度變化特征,Mn8磨損亞表層（50mm處）65錳鋼板硬度達(dá)到550HV,Mn15和Mn18分別為450HV和510HV,Mn8的加工硬化效果佳,Mn18則優(yōu)于Mn15。三種耐磨鋼干摩擦磨損機(jī)理主要表現(xiàn)為粘著磨損,伴有局部區(qū)域的疲勞剝落破壞,石英砂磨料磨損機(jī)理主要為磨粒磨損,表現(xiàn)形式為寬且深的犁溝和較大區(qū)域的疲勞剝落。沖擊磨料磨損實(shí)驗(yàn)表明,隨沖擊功的增大,三種錳鋼的加工硬化能力均提高,磨損失重也明顯降低。1.5J沖擊功時,Mn18的磨損失重低于Mn8和Mn15;3.5J沖擊功時,Mn8具有 的磨損失重。Mn8和Mn18亞表層組織具有較高密度的孿晶,亞表層（50mm處）硬度分別達(dá)到50HRC和48HRC,其加工硬化效果明顯優(yōu)于Mn15,加工硬化層深度超過1.5mm。三種錳鋼磨損形式主要表現(xiàn)為鑿削磨損和不同程度疲勞剝落磨損。
65錳鋼板Mn8、Mn15磨損層亞結(jié)構(gòu)主要為位錯、孿晶及馬氏體,其耐磨強(qiáng)化機(jī)制為馬氏體相變復(fù)合強(qiáng)化機(jī)制。Mn18磨損層亞結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大量位錯、孿晶外,未發(fā)現(xiàn)馬氏體相變,但出現(xiàn)Fe-Mn-C原子團(tuán)偏聚區(qū),其強(qiáng)化機(jī)制是通過位錯、孿晶和Fe-Mn-C原子團(tuán)強(qiáng)化
