高Si奥氏体高锰钢的力学行为和耐磨性能研究

针对传统高锰钢屈服强度低，初次使用的严重变形和中低应力下的加工硬化能力低，以及异常加工硬化能力的主要机制不明确的问题，本项目在分析国内外研究成果的基础上，提出孪晶变形后导致的伪孪晶的形成是其异常加工硬化能力的主要机制，而较低的层错能和较高含量的间隙原子是保证这种伪孪晶形成的两个关键因素；拟在保证足够间隙原子数量获得伪孪晶的条件下，降低传统高锰钢的C含量，显著增加Si含量，利用Si元素显著强化奥氏体基体和降低层错能的双重作用，降低伪孪晶和/或应力诱发ε马氏体发生的临界应力，促进其在中低应力下的发生来强化奥氏体基体，降低高锰钢初次使用的严重变形，提高其在中低应力下的加工硬化能力；通过研究C和Si含量对高锰钢层错能，变形方式和力学行为的影响规律和机制，来验证明确高锰钢异常加工硬化能力的主要机制。该研究对高Si含量的FeMnSi基记忆合金和高强度高塑韧性的FeMnSiAl合金的研究也具有指导意义。

本项目采用理论和实验相结合的方法，基于Olson的层错能热力学模型，采用不同的热力学参数分别计算了FeMnSiC合金的层错能，并与实际通过变形方式确定的层错能范围进行对比，确定了适合计算和预测FeMnSiC合金层错能的热力学模型和热力学参数。在此基础上，研究了Si和C含量变化对高Si奥氏体FeMnSiC合金的层错能，变形方式和力学行为的影响规律和机制；不同冲击条件对高Si奥氏体FeMnSiC合金表面变形方式和加工硬化行为的影响规律和机制；铸造高Si奥氏体高锰钢的变形方式和加工硬化行为，以及耐磨性能及机制。结果表明：C含量的增加会显著增加FeMnSiC合金的层错能。当C含量较低时，FeMnSiC合金的层错能随Si含量的增加先增加后减少；当C含量较高时，Si的加入降低FeMnSiC合金的层错能。Mn含量的增加导致合金层错能的增加。与孪晶作为变形方式的传统高锰钢相比，应力诱发ε马氏体相变作为变形方式的FeMnSiC合金具有更高的加工硬化能力；但当碳含量较低时，其加工硬化能力在大变形下低于传统高锰钢。冲击条件下，应力诱发ε马氏体相变作为变形方式的FeMnSiC合金不仅具有比传统高锰钢更高的加工硬化能力，而且具有更低的变形。铸造FeMnSiC合金具有与锻造FeMnSiC合金相类似的性能。铸造FeMnSiC合金摩擦磨损和磨粒磨损的耐磨能力显著高于传统的高锰钢。摩擦磨损条件下，FeMnSiC合金和传统高锰钢的磨损机制都为黏着磨损；磨粒磨损条件下，FeMnSiC合金的磨损机制为磨粒磨损的显微切削，传统高锰钢除磨粒磨损外，还存在黏着磨损。本项目的研究不仅明确了孪晶变形后导致的伪孪晶的形成是传统高锰钢异常加工硬化能力的主要机制，而且将为解决传统高锰钢初次使用的严重变形和提高其在中低应力下的加工硬化能力提供新的思路。