高强韧中锰钢研究现状及发展趋势_景财年.pdf

第 卷 第 期上 海 金 属，年 月，基金项目：国家自然科学基金（）作者简介：景财年，男，博士，教授，主要从事汽车先进高强钢研究，：高强韧中锰钢研究现状及发展趋势景财年 刘 磊 林 涛 赵静蕊（山东建筑大学 材料科学与工程学院，山东 济南）【摘要】汽车轻量化的迫切需求使得具有优异性能和较低成本的汽车先进高强钢之一 中锰钢成为了研究热点。针对中锰钢的相关研究成果，分别从热处理工艺、残留奥氏体稳定性和强塑性机制 个方面进行了详细汇总。包括最新的热处理工艺，合金元素、相尺寸及形貌、取向和基体组织等对残留奥氏体稳定性的影响，层错能与变形强化机制等。最后，展望了中锰钢工业化应用的研究和发展方向。【关键词】中锰钢，临界退火，奥氏体稳定性，层错能，强塑性机制中图分类号：文章编号：（）（，）【】，【】，我国汽车保有量的迅猛增长，给石油能源消耗、环境污染带来了巨大压力，也使得交通安全问题日益突出。汽车轻量化技术作为汽车行业的重要发展趋势，在燃油车、新能源车的节能减排、操控性、安全性和电池续航等方面均具有明显优势。研究表明，汽车质量每降低，油耗降低 ，排放量降低。目前，由于结构设计成熟度较高，轻量化材料的开发和应用成为当前汽车轻量化技术的主攻方向。钢铁作为汽车行业的重要原材料，一般占汽车总质量的 以上，具有强度高、生产成本低以及回收便利等优势，在未来较长一段时间内是不可替代的。现阶段，汽车钢铁材料的发展重点仍是汽车先进高强度钢的研发和大规模应用。与传统高强钢相 上 海 金 属第 卷比，先进高强度钢具有更高的强度和塑性（即吸能性好），既能降低制造成本，也能满足节能减排和保证乘客安全的核心要求。中锰钢（，）作为第三代先进高强钢的代表 之 一，因 其 可 媲 美 高 锰 孪 晶 诱 导 塑 性（，）钢的优异力学性能（抗拉强度约 ，断后伸长率约）和相对较低（质量分数为 ，质量分数为 ）的合金成本，受到许多研究者的关注。通过引入亚稳态奥氏 体 相 实 现 相 变 诱 导 塑 性（，）或 效应，不同形貌和尺寸的软硬相（马氏体、铁素体或贝氏体等）并存以及纳米析出相强化等效果，使中锰钢获得了高强度和高塑韧性的良好匹配。在应变过程中，亚稳态奥氏体部分或全部发生 效应，不仅延迟颈缩，提升断后延伸率，生成新的马氏体，还会提高材料强度，对整体性能的提升至关重要。现阶段中锰钢设计思路是不同形貌和尺寸的相并存，区别于以往的超细化、均匀化奥氏体晶粒的思路。这是因为不同形貌和尺寸的奥氏体晶粒混合物会间接提高残留奥氏体的机械稳定性，在应变过程中可以持续发生马氏体相变。同时，应变过程中的载荷会均匀分布于大量不同形貌和尺寸的晶粒上，促进拉伸性能的提升。此外，发生 效应的亚稳态奥氏体因为逐渐孪晶化的孪晶边界有效阻止了位错运动，减少了位错的平均自由程，导致动态 效应，从而促进应变硬化，提升力学性能。中锰钢优异的力学性能与工艺、微观组织和增强增塑机制密切相关，为此，本文从热处理工艺、奥氏体稳定性、强塑性机制等方面进行了系统的归纳总结，并对中锰钢的应用前景做出了展望，以期为中锰钢更深入的研究和更广泛的应用提供参考。中锰钢热处理工艺中锰钢由于淬透性较高，室温组织多为全马氏体，含量较高时也会存在少量残留奥氏体。为了获得大量残留奥氏体和超细晶铁素体的多相组织，年，首次对 中锰钢进行了奥氏体逆相变（，）处理，即在临界退火过程中发生奥氏体晶粒的回复，获得体积分数 的残留奥氏体和超细晶铁素体，最大断后伸长率达到 。在此基础上，学者们陆续对热轧或冷轧中锰钢进行了不同时间 温度的临界退火，获得了强塑积为 的优异性能，。等通过淬火和退火工艺制备出超细晶双相（铁素体和奥氏体）中锰钢，断后伸长率达到 ，抗拉强度为 ，且具有三阶段加工硬化效应和超高硬化率。中锰钢在工业化生产中，首先要经过连铸连轧阶段，由于其含有较多合金元素，在连铸连轧时易开裂，但目前鲜有这方面的研究报道。庄伟研究发现，奥氏体晶界析出的碳化物导致 高锰钢铸坯开裂倾向增大，而提高凝固坯壳厚度和结晶器热流的均匀性是避免连铸坯开裂的重要途径。同时，较高的锰含量导致中锰钢热轧后奥氏体稳定性不高易转变为马氏体，而马氏体的高硬度导致冷轧困难。为降低硬度采用罩式炉退火，炉内温度分布不均使对退火温度敏感的中锰钢性能不佳。对此，可以通过以下两个方法来解决：汪水泽等对多种薄板坯的连铸连轧技术发展现状做了详细汇总，其中，日照钢铁搭建的带钢无头连铸连轧技术（，）生产线可以通过热轧直接生产极薄带钢（厚度仅 ），“以热代冷”完全替代冷轧，从而有效缩短工序，降低成本，提高成材率；另外，采用全氢罩式退火，可以提高钢材表面质量和传热效率，使得退火更加均匀充分，但还应注意中锰钢的氢脆问题。在目前的试验研究中，中锰钢制备工艺流程主要为锻造后的钢坯先进行奥氏体均匀化，然后热轧空冷或冷轧，最后进行临界退火（图（），或冷轧前进行一次退火，以降低残余内应力，防止开裂。热轧 临界退火的中锰钢组织通常由板条状残留奥氏体和铁素体组成，而冷轧中锰钢在后续临界退火过程中，剧烈变形的马氏体将发生再结晶，同时伴随着奥氏体生成，室温组织多为超细等轴状残留奥氏体和铁素体。由于热轧过程积累的驱动力远低于冷轧过程，热轧中锰钢在退火时变形基体仅发生部分再结晶。而冷轧中锰钢的再结晶较为充分，导致铁素体中位错密度通常低于热轧钢。此外，还可以采用温轧工艺，通过调整轧制温度控制奥氏体回复过程中的形貌和尺寸，“定制”初始组织形态，。第 期景财年等：高强韧中锰钢研究现状及发展趋势 图 中锰钢典型和优化热处理工艺 目前工业生产中，罩式退火时间一般为几到几十小时，长时间的保温容易造成晶粒粗大，降低力学性能，增加脆性；而连续退火时间短于，中锰钢不能获得足够的元素扩散富集程度和逆相变奥氏体量。同时，中锰钢热处理后通常会出现吕德斯带（）应变，导致冲压件表面粗糙。研究表明：冷轧薄板在临界退火前进行再奥氏体化和淬火，可以消除 应变，但会增加生产成本；冲压前预变形也可以降低 应变，但会显著降低钢板的塑性。为解决上述问题，研究者们对现有工业化工艺进行了改进。经过热轧和临界退火的中锰钢容易出现“奥氏体记忆（逆相变的奥氏体晶粒具有相同的晶体取向）”限制板条马氏体的再结晶，导致奥氏体和铁素体晶粒出现板条状形貌。等提出了后续冷轧和连续退火工艺（图（），消除了“奥氏体记忆”并细化奥氏体和铁素体晶粒为球状组织；同时发现了控制冷轧压下率可以调控 应变。还可以通过合理设计初始微观组织优化“奥氏体记忆”，等、等和 等通过在初始微观组织中形成“富锰”渗碳体、珠光体或奥氏体再转化等设计富锰和贫锰区，然后在临界退火期间由回复奥氏体继承“富锰”特点，从而提高残留奥氏体的稳定性。此外，还借鉴了 工艺的优点（碳配分阶段奥氏体的碳富集）提出了诸多优化热处理工艺。等提 出 了 双 稳 定 化 热 处 理 工 艺（，）（图（），更细小的残留奥氏体和更大的、元素富集程度显著提高了残留奥氏体的稳定性，获得了抗拉强度 和断后伸长率 的优异力学性能。等和 等结合传统 工艺（碳富集）和临界退火工艺（奥氏体富集）的优点，提出了临界退火 工艺（图（）。经临界退火 工艺处理的中锰钢获得了超细晶铁素体、残留奥氏体和回火马氏体的多相组织，没有出现波特文 勒夏特利埃（，）效应，其强度也显著高于临界退火的中锰钢。在此基础上，为进一步缩短工艺流程，本课题组对“一步法”临界退火 工艺进行了研究，包括工艺参数调控、循环淬火预处理、元素扩散、“室温”改进工艺等，同时也提出了“一步法”临界退火 工艺与热冲压相结合的可行性。最后，针对贝氏体等温淬火（，）工艺处理的中锰钢中经常出现的块状马氏体 奥氏体（）岛，上 海 金 属第 卷等提出了改进的贝氏体“扰动”等温淬火工艺（即在等温贝氏体相变区进行中间瞬时淬火）（图（），显著减少了 岛的体积分数和尺寸，提升了奥氏体的稳定性。亚稳态奥氏体稳定性还与临界区合金元素的扩散富集有关。但长时间的临界退火不仅会降低效率、提高生产成本，还会使再结晶的超细晶铁素体粗化，进而显著降低中锰钢的屈服强度。对此，和 等提出了闪速加热工艺（加热速率不低于 ），可有效细化晶粒。在此基础上，等开发了一种闪速加热临界退火（）工艺并成功应用于中锰钢，在闪速加热过程形成大量的低 含量奥氏体核，并通过长时间的临界退火形成奥氏体的富 壳，以稳定更多奥氏体保留至室温。但该工艺需要在闪速加热后进行长时间退火，以通过迟缓的 分配稳定奥氏体。为进一步优化 工艺，等提出了短时预回火闪速退火（）工艺（图（），该工艺使奥氏体“爆炸”形核，并且快速的碳配分使大量奥氏体有效保留至室温，还形成了由再结晶 非再结晶铁素体晶粒组成的非均匀铁素体基体，导致非均匀（异 质）变 形 诱 导（，）硬化效应，与残留奥氏体的 效应共同作用使得中锰钢在高应变水平下具有高的加工硬化率。采用优化热处理工艺，不仅大幅度提升了中锰钢的力学性能，而且降低了生产成本，提高了生产效率和产品质量。随着研究的进一步深入，亚稳态奥氏体稳定性和强塑性变形机制将成为未来研究的重点，探索和调控微观机制对实现高性能中锰钢的大批量工业化应用具有重要指导意义。中锰钢奥氏体稳定性研究 合金元素常见的合金元素（、）主要通过影响马氏体转变开始温度（）来影响奥氏体稳定性。、含量对奥氏体稳定性的影响最为显著，均能够大幅度降低，当、含量充足时，甚至会导致 低于室温，进而促进室温下保留更多的残留奥氏体。或 的添加可以抑制渗碳体的形成，促进 在奥氏体中的配分保留，进而提高奥氏体的稳定性。等计算了、等合金元素对 点的影响，结果如图所示。基于理论研究和试验结果，合金元素对 点的影响可表示为：（）图 合金元素对马氏体转变开始温度的影响 合金元素对相变温度区也有显著影响。图 分别为、和 元素对 （，）合金相图的影响。可以看出，随着 含量的增加，双相区明显缩小，促进了低温碳化物的析出。同时，较高的 含量会导致焊接性能下降，铸造过程 偏析严重，因此 质量分数通常在 之间。作为主要合金元素，对残留奥氏体含量和稳定性均有很大影响，并且 含量的增加会显著降低临界区退火温度，也会影响钢的变形机制。等研究发现，的加入稳定了配分阶段的奥氏体相，延缓了奥氏体的分解过程，并从原子尺度观察到 的加入有利于 从一次马氏体（）向奥氏体的配分（奥氏体晶粒边缘有碳的堆积）。的加入还起固溶强化作用，提高钢的抗拉强度，但是过量的 会形成富 氧化物，降低工件表面质量，并对镀锌产生不利影响。含量过高会导致冶炼凝固过程中形成粗 铁素体，降低钢的强度，同时还会给熔炼、二次精炼和铸造带来困难。因此，除非低密度是关键要求，一般 和 的质量分数不超过。第 期景财年等：高强韧中锰钢研究现状及发展趋势 图 合金元素对（，）合金相图的影响 （，）有关中锰钢中微合金元素对残留奥氏体的影响，等研究发现，当 质量分数从 增加到 时，纳米 析出相的数量增加，原奥氏体晶粒和层状组织得到细化，奥氏体稳定性提高。等研究发现，质量分数为 的 可显著减缓奥氏体分解速度，使得更多的奥氏体保留下来，降低残留奥氏体的碳含量。然而，质量分数为 的 使得奥氏体分解明显，随着配分时间的增加，奥氏体分解和碳化物形成速率逐渐增加。此外，添加、或 和，可以分别引入纳米碳化物或 有序的 纳米颗粒，均有利于细化奥氏体晶粒，增加奥氏体稳定性。另外，合金元素的扩散行为对奥氏体稳定性也有很大影响。例如，中锰钢进行 处理时，在配分阶段可能会发生 元素的竞争反应。这些竞争反应包括回火、缺陷处的碳原子捕获、马氏体中的碳化物沉淀以及奥氏体分解转变为其他产物，如贝氏体（也可促进奥氏体的碳富集）及界面迁移等。基于此，等设计了两步回火配分工艺，使得亚稳态奥氏体保持了先回火生成的亚稳富锰 碳化物中 和 元素的富集特点，并且分布分散（）、尺寸细小（），使得亚稳态奥氏体的弥散强化和 效应发挥了协同作用，获得了优异的力学性能（强塑积达 ）。此外，的配分对马氏体向奥氏体转变有重要作用，但在临界退火温度下 的体扩散非常缓慢。因此，如何促进 元素 的 快 速 扩 散 得 到 了 广 泛 研 究。研 究 发现，晶界（