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。

本文意在解决高锰钢在低应力条件下耐磨性较差的缺点,同时满足其在高应力冲击下保持较好的冲击韧性,开展了高锰钢表面等离子熔覆FeCoNiCrMnTix高熵合金涂层的探索,研究了高65锰钢板锰钢表面等离子熔覆FeCoNiCrMnTix高熵合金涂层后,以及对FeCoNiCrMnTix高熵合金涂层/高锰钢基体进行时效处理后的组织与性能的演变,探明Ti元素的添加以及时效处理对于FeCoNiCrMn系高熵合金涂层组织与性能的影响,为后续在高锰钢表面制备出能够承受高低应冲击高熵合金耐磨涂层提供参考。

  试验结果表明:FeCoNiCrMnTix高熵合金涂层在熔覆后表层晶粒结构为等轴晶,同时有少量共晶组织产生,熔覆层中部为树枝晶,与基体接触的熔覆层底部为胞状晶;在时效后熔覆层整体的等轴晶增多,相应的树枝晶和胞状晶有所减少。熔覆后FeCoNiCrMnTix的物相构成比较单一稳定,65mn冷轧钢板当x=0的时候熔覆层的物相组成由单一的FCC相组成,主要相为Fe0.64Ni0.36,当Ti元素加入后,有BCC相Co3Ti产生,且新相Co3Ti的峰值也随Ti元素的增多而提高。在时效过后熔覆层的物相组成没有很大差别,Co3Ti析出物有了明显的增多,峰值也有了明显的提高。整体上各个试样的硬度从熔覆层到热影响区再到基体呈下降趋势。

  65mn锰冷轧钢板熔覆后的涂层硬度由表至里变化趋势略下降;时效处理后的涂层硬度由表至里的下降趋势不明显,涂层的硬度较为平均,且时效处理前后的试样 硬度值都随Ti含量的增多而。其中基体的硬度值在220.4HV左右,熔覆后的高熵合金涂层 硬度值为344.5HV。时效处理后FeCoNiCrMnTi0.5高熵合金涂层的 硬度值为469.7HV。

二维磨损分析指出了 Mn13Cr2和贝-马复相耐磨铸钢的二体摩65锰冷轧钢板擦磨损形式分别主要为黏着磨损和磨料磨损。三维磨损分析阐释了三体冲击磨料磨损中应变疲劳,裂纹,犁沟,嵌入磨粒和挤压堆积是贝-马复相耐磨铸钢的主要磨损机理;嵌入磨粒,犁沟,应变疲劳,切削,挤压堆积和剥落坑是Mn13Cr2的主要磨损机理。四维磨损分析解释了盐雾腐蚀和冲击磨料磨损共同作用下材料的磨损行为,低程度腐蚀试样的磨损机理主要仍表现为犁沟、应变疲劳和嵌入磨粒,试样磨损亚表层变形区较窄。此后随盐雾腐蚀时间的延长,犁沟变得更短而深,磨损失重增大,试样磨损亚表层变形区消失,材料的耐磨性恶化。

  65mn锰冷轧钢板建立了理论公式用以估算贝-马复相耐磨铸钢在盐雾腐蚀和冲击磨料磨损协同作用下的磨损失重。试制了一套贝-马复相耐磨铸钢衬板,工业生产的热处理参数制定为910±10℃保温5h,强制风冷,310±10℃回火8h,空冷。试制衬板的组织和性能达到指标要求,衬板整体力学性能与耐磨性均匀,工业应用后寿命超过目前使用的国产衬板平均寿命50%以上。

  近年来,随着对汽车产业节能减排及提高性提出越来越高的要求,越来越多的研究者开始研究具有优异综合力学性能的中锰钢,以兼顾汽车轻量化65mn锰冷轧钢板、碰撞性及经济性的要求。基于成分优化及组织调控,中锰钢的力学性能得到较大幅度,但在中锰钢零部件冷加工成型及服役过程中面临的塑性变形和氢脆问题,日益成为其应用和服役的一个制约性因素。对此,本文针对一种新型的高强塑积含Al中锰钢0.25C-8.67Mn-0.54Si-2.69Al（wt%）,采用预应变、电化学充氢、氢热分析（TDS）、慢应变速率拉伸（SSRT）、扫描电子显镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）及透射电子显镜（TEM）等实验方法,较为系统地研究了热轧退火态和冷轧退火态实验钢在不同塑性变形量下的观组织、65锰钢板力学性能变化及氢脆敏感性的变化规律,可以得到以下结论:热轧退火实验钢主要由片层状的退火铁素体+逆转变奥氏体（RA）组成,其中RA含量约为60 vol%,强塑积高达69.1 GPa·%。