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。

近年来,中65锰钢板因具有优异的强塑积且兼顾了经济性与工业可行性而成为了第三代汽车用钢中的一个研究热点,如何进一步提高其力学性能是人们研究的重点之一。

  基于此,本文在传统中锰钢研究的基础上,设计了一种V合金化中锰钢并对其进行了热轧、冷轧、温轧及随后的两相区退火处理,较为系统地研究了实验钢在不同轧制状态及不同退火温度下的观组织和力学性能变化规律,探讨了V合金化对中锰钢强度的影响。得到的主要结果如下:本文通过研究热轧+两相区退火（625℃-800℃）处理的实验钢组织与力学性能,得出的结果表明:实验钢组织主要为长条状δ-铁素体、板条状的α-铁素体+残余奥氏体（Retained austenite,RA）以及大量细小弥散的VC析出相。对于625℃和750℃的两相区退火试样,VC的析出强化增量分别为-347 MPa和-234 MPa;随着退火温度（Intercritical annealing temperature,TIA）的提升,65锰冷轧钢板VC析出相尺寸增大和RA板条粗化引起了屈服强度的显著降低。

  随着TIA的提升,RA含量先增加后降低,稳定性持续降低,导致实验钢的强塑积先增加后降低;当TIA为725℃时,可获得高达-50GPa·%的强塑积,并且屈服强度达到890 MPa,从而具有优异的强塑性配合。通过研究冷轧+两相区退火（650℃-800℃）处理的实验钢组织与力学性能,其结果表明:冷轧退火态实验钢的组织主要为长条状δ-铁素体、等轴状α-铁素体+RA以及大量细小弥散的VC析出相。65mn锰冷轧钢板其中,当TIA较低时,组织中存在少量板条状组织;随着TIA升高,板条状组织逐渐消失,等轴状组织逐渐增多。此外,随着TIA的升高,RA含量逐渐增加而RA稳定性持续降低,导致实验钢的强塑积先增加后降低。其中,当TIA为700℃时,获得高达-52.6GPa·%的强塑积。通过研究温轧以及温轧+两相区退火（650℃-800℃）处理的实验钢组织与力学性能,其结果表明:温轧原始态及温轧+退火态实验钢的组织均为δ-铁素体、板条状与少量等轴状共存的α-铁素体+RA以及大量细小弥散VC析出相。当TIA为650-750℃时,其强塑积均能保持在50 GPa·%以上,这表明温轧处理使实验钢具有较宽的热处理工艺窗口。因此,温轧处理有可能成为一种简化传统中锰钢生产应用的新方法。

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。