.562. 工程科学学报.第41卷，第5期 的偏析，使回火脆性延迟[35)] 锰钢更能适应冲压，且冲压后的延展性能维持在较 2.3Al元素对性能的影响 高的水平，同时在冲击过程中能吸收更多的功，提高 钢中A!的加入容易引起治炼过程中冒口堵 安全性；A1的加入提高了中锰钢A,和A,温度[2) 塞、加工过程表面质量难控制以及在材料中容易 因而可选择的临界退火温度提高，较短时间就能完 形成非金属夹杂物等问题，但是近年来对含A!中 成退火，利于工业化生产的开展：也有研究发现A1 锰钢的性能也展开广泛研究，也有文章针对A!对 可以降低铁素体中C的活度系数，提高C在铁素体 高锰钢抗氢脆性能的有益作用进行研究.在TWIP 的溶解度，升高渗碳体中C的活性，抑制渗碳体析 钢中加入一定含量的A1,可改善钢的延迟开裂性 出[3]：在5Mn钢中加入3%的A),冷轧变形的微 能[36-8】，Fe-18Mn-0.6C-(0,1,2)Al三种成分 观结构可以完全再结晶，相比5Mn0Al中锰钢强塑 TWIP钢比较发现，A1质量分数2%的试样电解充 积提高：Cai等[6]发现软相8铁素体体积分数和延 伸率随着A!含量升高而升高：通过最近几年对中锰 氢后能在表面形成一层致密的A山，O,膜，从而阻碍 钢相变过程中奥氏体相变研究文献的总结发现，含 氢原子进入，改善氢脆性能[)：通过断口观察发 铝中锰钢拉断后，还有相当量的残余奥氏体没有发 现.随着A1含量提高(A1质量分数0、1%、2%)， 生相变68,15,2】；不含A的中锰钢拉断后残余奥氏 充氢试样的解理脆性区减小甚至消失[40]：也有 体完全相变到马氏体2-]，原因是变形过程中软相 研究表明，Al元素可以提高层错能)，抑制变形 的铁素体配分更多应力，因而对奥氏体起到辅助稳 过程中发生密排六方马氏体相变，从而提高抗氢 定作用[4s];Yang等也发现加入Al后残余奥氏体体 脆能力[].可见Al对高锰钢的抗延迟开裂和抗 积分数降低，但是稳定性提高，在变形过程中的相变 氢脆性能有显著的作用，但是A!对中锰钢的抗氢 可以连续发生，产生持续硬化[46] 脆性能的影响研究还很少 图4为A!含量与中锰钢性能的关系图（数据取 关于A!元素对中锰钢力学性能影响的文献较 自表1)，A1是铁素体形成元素，A1含量升高，抗拉 多，加入1%的A1,中锰钢的密度可下降1.25%，可 强度明显降低（图4(a)):当Al质量分数<4%时， 为汽车减重做出贡献：当A1质量分数超过3%，会 延伸率随A】含量增加呈增大趋势：需要说明的是 引入大量的软相8铁素体而增加延展性3,68)]，使中 A1含量超过4%的文献数据较少，延伸率在之后的 a ●热轧 b 。热到 2100 冷轧 ·冷轧 ●温轧+冷轧 ●温轧+冷轧 60 400 40 700 4 A质量分数/% A1质量分数% 80 ·热轧 70(d ·热轧 ●冷轧 ·冷轧 ·温轧+冷轧 。温轧+冷轧 60 最60 40 20 4 4 A质量分数/% A1质量分数% 图4中锰钢性能与Al含量的关系（数据来源于表1）.(a)强度-Al质量分数：(b)延伸率-Al质量分数：(c)奥氏体体积分数-A1质量 分数：(d)强塑积-A质量分数 Fig.4 Relations between mechanical properties and Al content of medium Mn steels:(a)tensile strength rs aluminum content;(b)elongation ts aluminum content;(c)yy ts aluminum content;(d)product of tensile strength and total elongation ts aluminum content
工程科学学报,第 41 卷,第 5 期 的偏析,使回火脆性延迟[35] . 2郾 3 Al 元素对性能的影响 钢中 Al 的加入容易引起冶炼过程中冒口堵 塞、加工过程表面质量难控制以及在材料中容易 形成非金属夹杂物等问题,但是近年来对含 Al 中 锰钢的性能也展开广泛研究,也有文章针对 Al 对 高锰钢抗氢脆性能的有益作用进行研究. 在 TWIP 钢中加入一定含量的 Al,可改善钢的延迟开裂性 能[36鄄鄄38] , Fe鄄鄄18Mn鄄鄄0郾 6C鄄鄄 (0,1,2)Al 三 种 成 分 TWIP 钢比较发现,Al 质量分数 2% 的试样电解充 氢后能在表面形成一层致密的 Al 2O3膜,从而阻碍 氢原子进入,改善氢脆性能[39] ;通过断口观察发 现,随着 Al 含量提高(Al 质量分数 0、1% 、2% ) , 充氢试样的解理脆性区减小甚至消失[40鄄鄄41] ;也有 研究表明,Al 元素可以提高层错能[15] ,抑制变形 过程中发生密排六方马氏体相变,从而提高抗氢 脆能力[42] . 可见 Al 对高锰钢的抗延迟开裂和抗 氢脆性能有显著的作用,但是 Al 对中锰钢的抗氢 脆性能的影响研究还很少. 图 4 中锰钢性能与 Al 含量的关系(数据来源于表 1). (a) 强度鄄鄄Al 质量分数; (b) 延伸率鄄鄄Al 质量分数; (c) 奥氏体体积分数鄄鄄Al 质量 分数; (d) 强塑积鄄鄄Al 质量分数 Fig. 4 Relations between mechanical properties and Al content of medium Mn steels: (a) tensile strength vs aluminum content; ( b) elongation vs aluminum content; (c) 酌R vs aluminum content; (d) product of tensile strength and total elongation vs aluminum content 关于 Al 元素对中锰钢力学性能影响的文献较 多,加入 1% 的 Al,中锰钢的密度可下降 1郾 25% ,可 为汽车减重做出贡献;当 Al 质量分数超过 3% ,会 引入大量的软相 啄 铁素体而增加延展性[3,6,8] ,使中 锰钢更能适应冲压,且冲压后的延展性能维持在较 高的水平,同时在冲击过程中能吸收更多的功,提高 安全性;Al 的加入提高了中锰钢 A1 和 A3 温度[24] , 因而可选择的临界退火温度提高,较短时间就能完 成退火,利于工业化生产的开展;也有研究发现 Al 可以降低铁素体中 C 的活度系数,提高 C 在铁素体 的溶解度,升高渗碳体中 C 的活性,抑制渗碳体析 出[43] ;在 5Mn 钢中加入 3% 的 Al [44] ,冷轧变形的微 观结构可以完全再结晶,相比 5Mn0Al 中锰钢强塑 积提高;Cai 等[6] 发现软相 啄 铁素体体积分数和延 伸率随着 Al 含量升高而升高;通过最近几年对中锰 钢相变过程中奥氏体相变研究文献的总结发现,含 铝中锰钢拉断后,还有相当量的残余奥氏体没有发 生相变[6,8,13,23] ;不含 Al 的中锰钢拉断后残余奥氏 体完全相变到马氏体[26鄄鄄27] ,原因是变形过程中软相 的铁素体配分更多应力,因而对奥氏体起到辅助稳 定作用[45] ;Yang 等也发现加入 Al 后残余奥氏体体 积分数降低,但是稳定性提高,在变形过程中的相变 可以连续发生,产生持续硬化[46] . 图 4 为 Al 含量与中锰钢性能的关系图(数据取 自表 1),Al 是铁素体形成元素,Al 含量升高,抗拉 强度明显降低(图 4( a));当 Al 质量分数 < 4% 时, 延伸率随 Al 含量增加呈增大趋势;需要说明的是 Al 含量超过 4% 的文献数据较少,延伸率在之后的 ·562·
徐娟萍等：中锰钢的研究进展与前景 ·563· 变化趋势不明确（图4(b)):另外，图4(c)中A1对 钢(0.11C-5.7Mn),材料强塑积达到34.9GPa·%. 奥氏体体积分数没有明显的影响；图4(d)可见Al 冷轧中锰钢热处理后比较普遍的组织是等轴奥氏 质量分数为3%~4%时容易获得较高的强塑积 体/铁素体 (图4(d)). (2)长条状的奥氏体+铁素体 其他微量元素如V不仅可以细化晶粒，还会形 A!质量分数低于2%的中锰钢晶粒在热 成纳米尺度的碳化钒(VC)颗粒，VC颗粒分布在中 轧【6,1-16,0,3,3/温轧[9,18-19]热锻[4,10.12过程被拉长， 锰钢组织中能提高其屈服强度47]，还可以提高抗氢 随后热处理后也保持大部分为长条状结构的组织， 脆性能28]：B可以提高金属的淬透性：稀土元素能 有少部分块状奥氏体，Chen等发现奥氏体组织板条 净化钢水，在高锰钢中加入稀土能提高裂纹形核的 状的稳定性要比等轴的高[0】.对锻后退火的中锰 临界H浓度，改善延迟开裂性能].这些合金元素 钢(0.2C5Mn)进行温轧，压下量77.5%，奥氏体和 在中锰钢中的作用还有待进一步验证. 铁素体晶粒择优取向旋转到与轧制方向平行，晶粒 3中锰钢微观组织特征 只是拉长，板条厚度减薄（如图5(b),对材料的延 中锰钢的微观组织复杂多样，组成相包括不同 伸率影响不大，抗拉强度和屈服强度显著升高[)， 形状铁素体、奥氏体、马氏体其中的某两种或某几 轧向性能较好(ND表示法向：RD表示轧向) 种.对表1中的文献总结，对应几种典型微观组织 对0.2C-1.6Al-6.1Mn钢的临界退火和淬火 如下. 回火(QT)热处理得到的组织和性能分析发现s1] (1)等轴的奥氏体+铁素体 QT过程得到长条状的奥氏体铁素体结构 C质量分数高于0.2%，A1质量分数低于2%的 (图5(c)),奥氏体中的位错密度大，抗拉强度 中锰钢经过冷轧退火工艺得到细小尺寸（通常在 902~1235MPa,延伸率18%~42%.临界退火热 1m以下)的等轴状铁素体/奥氏体组 处理得到的也是长条状组织，抗拉强度885~945 织3，，21,2,5-7,0,8，，例如图5(a)(A代表奥氏体， MPa,延伸率13%~28%，由于退火时间久，位错 F代表铁素体).在1972年，Millert9]首次提出冷轧 密度大幅降低，TP效应也弱化，因此强塑积不如 在两相区退火的超细晶铁素体+奥氏体结构的中锰 QT热处理 a b 4四 10m m 图5几种典型的中锰钢金相组织.(a)10Mnl.6A1冷轧中锰钢（宝钢）：(b)0.2C4.72Mn中锰钢退火12h轧制压下量77.5%[9]：(c) 0.2C-1.6A-6.1Mn中锰钢625℃淬火组织[50：(d)0.2C-0.63Si-4.99Mn-3.03A中锰钢700℃退火1h[24 Fig.5 Typical SEM microstructures of the medium Mn steels:(a)10Mnl.6Al cold-rolled medium Mn steel Baosteel):(b)0.2C4.72Mn medium Mn steel annealed at 650C for 12h and rolled at 650C with thickness reduction of 77.5%](c)0.2C-1.6Al-6.1Mn medium Mn steel quenched at 625 C[5]:(d)0.2C-0.63Si-4.99Mn-3.03Al medium Mn steel annealed at 700C for 60 min[24)
徐娟萍等: 中锰钢的研究进展与前景 变化趋势不明确(图 4( b));另外,图 4( c)中 Al 对 奥氏体体积分数没有明显的影响;图 4( d) 可见 Al 质量分数为 3% ~ 4% 时容易获得较高的强塑积 (图 4(d)). 其他微量元素如 V 不仅可以细化晶粒,还会形 成纳米尺度的碳化钒(VC)颗粒,VC 颗粒分布在中 锰钢组织中能提高其屈服强度[47] ,还可以提高抗氢 脆性能[28] ;B 可以提高金属的淬透性;稀土元素能 净化钢水,在高锰钢中加入稀土能提高裂纹形核的 临界 H 浓度,改善延迟开裂性能[48] . 这些合金元素 在中锰钢中的作用还有待进一步验证. 3 中锰钢微观组织特征 中锰钢的微观组织复杂多样,组成相包括不同 形状铁素体、奥氏体、马氏体其中的某两种或某几 种. 对表 1 中的文献总结,对应几种典型微观组织 如下. 图 5 几种典型的中锰钢金相组织. ( a) 10Mn1郾 6Al 冷轧中锰钢(宝钢); ( b) 0郾 2C4郾 72Mn 中锰钢退火 12 h 轧制压下量 77郾 5% [9] ; ( c) 0郾 2C鄄鄄1郾 6Al鄄鄄6郾 1Mn 中锰钢 625 益淬火组织[51] ; (d) 0郾 2C鄄鄄0郾 63Si鄄鄄4郾 99Mn鄄鄄3郾 03Al 中锰钢 700 益退火 1 h [24] Fig. 5 Typical SEM microstructures of the medium Mn steels: (a) 10Mn1郾 6Al cold鄄rolled medium Mn steel (Baosteel); (b) 0郾 2C4郾 72Mn medium Mn steel annealed at 650 益 for 12 h and rolled at 650 益 with thickness reduction of 77郾 5% [9] ; (c) 0郾 2C鄄鄄1郾 6Al鄄鄄6郾 1Mn medium Mn steel quenched at 625 益 [51] ; (d) 0郾 2C鄄鄄0郾 63Si鄄鄄4郾 99Mn鄄鄄3郾 03Al medium Mn steel annealed at 700 益 for 60 min [24] (1)等轴的奥氏体 + 铁素体. C 质量分数高于 0郾 2% ,Al 质量分数低于 2% 的 中锰钢经过冷轧退火工艺得到细小尺寸(通常在 1 滋m 以 下 ) 的 等 轴 状 铁 素 体/ 奥 氏 体 组 织[3,17,21,23,25鄄鄄27,30,33,49] ,例如图 5(a) (A 代表奥氏体, F 代表铁素体). 在 1972 年,Miller [49]首次提出冷轧 在两相区退火的超细晶铁素体 + 奥氏体结构的中锰 钢(0郾 11C鄄鄄5郾 7Mn),材料强塑积达到 34郾 9 GPa·% . 冷轧中锰钢热处理后比较普遍的组织是等轴奥氏 体/ 铁素体. (2)长条状的奥氏体 + 铁素体. Al 质 量 分 数 低 于 2% 的 中 锰 钢 晶 粒 在 热 轧[6,14鄄鄄16,30,33,34] / 温轧[9,18鄄鄄19]热锻[4,10,12]过程被拉长, 随后热处理后也保持大部分为长条状结构的组织, 有少部分块状奥氏体,Chen 等发现奥氏体组织板条 状的稳定性要比等轴的高[50] . 对锻后退火的中锰 钢(0郾 2C5Mn)进行温轧,压下量 77郾 5% ,奥氏体和 铁素体晶粒择优取向旋转到与轧制方向平行,晶粒 只是拉长,板条厚度减薄(如图 5(b)),对材料的延 伸率影响不大,抗拉强度和屈服强度显著升高[9] , 轧向性能较好(ND 表示法向;RD 表示轧向). 对 0郾 2C鄄鄄1郾 6Al鄄鄄6郾 1Mn 钢的临界退火和淬火 回火(QT)热处理得到的组织和性能分析发现[51] , QT 过 程 得 到 长 条 状 的 奥 氏 体 铁 素 体 结 构 (图 5( c) ) ,奥 氏 体 中 的 位 错 密 度 大, 抗 拉 强 度 902 ~ 1235 MPa,延伸率 18% ~ 42% . 临界退火热 处理得到的也是长条状组织,抗拉强度 885 ~ 945 MPa,延伸率 13% ~ 28% ,由于退火时间久,位错 密度大幅降低,TRIP 效应也弱化,因此强塑积不如 QT 热处理. ·563·