0. 引言
中錳鋼是在高錳鋼的基礎上通過適當降低錳含量而研制的第三代高強鋼[1],在中低沖擊載荷作用下即可發生變形誘發馬氏體相變,具有良好的韌性和較高的強度[2],其耐磨性能優于Hardox系列耐磨鋼和高錳鋼[3-4]。我國對中錳鋼的研究開始于20世紀80年代,主要研究機構有東北大學、吉林工業大學、北京科技大學、武漢科技大學、鋼鐵研究總院等。經過30多a的發展,我國生產的中錳鋼性能大幅提高,同時研究者設計并制備出了兼具超高強度和良好韌性的中錳鋼,技術領先于國外[5]。中錳鋼以鐵為基礎元素,碳為固溶元素,錳和硅為主要合金元素,其合金系主要有Fe-C-Mn-Si系、Fe-C-Mn-Si-Cr系和Fe-C-Mn-Si-Al系等,其中Fe-C-Mn-Si-Al系中錳鋼常作為高強汽車板帶鋼材料,而Fe-C-Mn-Si-Cr系中錳鋼則多應用在礦山機械耐磨件上。為了給中錳鋼的開發與應用提供參考,作者對其化學成分、顯微組織、熱處理工藝、力學性能和耐磨性能等方面的研究進展進行了總結與分析,并在此基礎上,結合現有試驗與應用情況展望了今后中錳鋼的研究方向。
1. 化學成分
中錳鋼的主要元素為鐵、碳、錳、硅。碳和錳是奧氏體穩定化元素,錳元素在熱處理過程中向奧氏體中富集,使奧氏體在室溫下不發生馬氏體相變,硅可以抑制碳化物形成,有利于碳元素向奧氏體擴散。表1為總結得到的1988—2023年中錳鋼的化學成分變化,可以看出,2010年后中錳鋼的碳質量分數由最初的0.8%~1.2%降低至0.4%以下,錳質量分數由最初的6%左右擴大到2%~10%之間。碳、錳含量對中錳鋼的力學性能影響顯著：過多的碳會以碳化物形式析出,降低鋼的強度[6]；而過少的碳不能發揮出穩定奧氏體的作用[7]。錳含量提高有利于奧氏體的穩定[8]。中錳鋼中添加的元素種類很多,主要有鉬、氮、釩、銅、鈦、鎳、鈮以及稀土元素（RE）等。通過改變中錳鋼的主要元素含量并添加其他元素,可以大幅提高其力學性能。在提高錳含量同時添加銅元素后,中錳鋼的強塑積提高[9],同時添加鉬和釩元素后,中錳鋼的屈服強度明顯提高[10]。降低錳含量同時添加鈦和鉬元素后,因鈦和鉬可與碳形成碳化物優先析出而成為奧氏體結晶核心,起到細化晶粒的作用,中錳鋼的抗拉強度大幅提高[11]；同時添加硅、鉻、鋁和鉬元素后,中錳鋼的抗拉強度超過2 200 MPa[12]。在降低硅含量同時添加鋁、釩和對位錯有釘扎作用的鈮元素,可在保持高強度的前提下,大幅提高斷后伸長率,從而獲得綜合力學性能較好的中錳鋼[11,13]。稀土元素會影響碳、錳元素的配分行為、逆相變奧氏體的含量及其穩定性,同時具有細化晶粒、凈化鋼液以及減少脆性夾雜物的作用[14-16]。添加稀土元素可使Mn6中錳鋼的組織和性能得到綜合改善,其耐磨性比不添加稀土元素的Mn6中錳鋼提高約20％[17]。鎢元素可以改變碳在奧氏體中的分布狀態,使球狀碳化物彌散分布于奧氏體晶粒內部,添加鎢元素后中錳鋼的沖擊吸收能量比不添加鎢元素時提高30%~50％,抗拉強度提高約10％,耐磨性也顯著提高[46]。中錳鋼中同時加入稀土元素、鈮和釩元素后,由于稀土元素的細化晶粒作用、鈮和氮的固溶強化和阻礙位錯作用,中錳鋼的抗拉強度和沖擊吸收能量分別提高43%和44%[47]。
2. 顯微組織
近10 a來,中錳鋼的典型顯微組織由單相奧氏體轉變為鐵素體或馬氏體+殘余奧氏體的雙相組織,并且其中的殘余奧氏體含量大幅增加,最高體積分數達到51%。化學成分對中錳鋼的顯微組織,特別是殘余奧氏體含量具有顯著的影響。參考文獻[5,12-13,20-21,23-24,31,35-39,41-45],總結得到中錳鋼中殘余奧氏體含量隨碳和錳元素含量的變化如圖1所示。由圖1可知,殘余奧氏體含量隨碳或錳含量的增加基本呈增大趨勢。碳和錳含量的增加可以提高殘余奧氏體的穩定性,降低奧氏體轉變溫度,延遲珠光體轉變,使更多的殘余奧氏體保留下來[38,45-48]。但是,當在同一溫度下進行奧氏體化時,錳含量高的中錳鋼具有較粗的組織,且在淬火過程中粗大組織會遺傳到相變產生的馬氏體上[38]。中錳鋼的顯微組織還受熱處理工藝的影響。不同溫度保溫過程中奧氏體含量的變化規律不同。在650 ℃逆相變退火時,奧氏體含量隨著退火時間的延長而增加,在675 ℃時隨著退火時間的延長先增加后減少[7]。采用不同工藝軋制時,中錳鋼的奧氏體含量以及其隨熱處理工藝參數的變化也不同：熱軋中錳鋼的奧氏體含量高于冷軋中錳鋼[34]；退火時,熱軋中錳鋼的奧氏體體積分數隨退火溫度的升高而增加,而冷軋中錳鋼則先增加后減少[23]。中錳鋼發生變形時,其顯微組織會隨之變化,例如：呂德斯帶的局部變形行為會導致變形區域發生相變誘導塑性（TRIP）效應[31]；呂德斯帶擴展完成后,奧氏體轉變為具有較高加工硬化能力的馬氏體,以適應不同組成相和晶粒間的應力變化；隨著變形溫度的降低,呂德斯帶的擴展促使更多的奧氏體轉變為馬氏體[9]。
顯微組織變化對中錳鋼的性能有顯著影響。當基體為鐵素體,且滲碳體較多時,中錳鋼的屈服強度較高。基體為鐵素體和少量奧氏體時,位錯密度較低,則屈服強度較低。基體中馬氏體含量越多,中錳鋼的抗拉強度和屈服強度越高,但是塑性越差[12],粗大的馬氏體組織會導致中錳鋼的力學性能降低[25]。強塑積隨基體中殘余奧氏體含量的增加而增大[12,14]。顯微組織為回火馬氏體和碳化物的中錳鋼的塑性和韌性較差,顯微組織為回火索氏體和奧氏體的中錳鋼的塑性和韌性較好[49]。
3. 熱處理工藝
中錳鋼的熱處理工藝很多,最早為水韌處理[6,17,49]、淬火+回火處理[7,26,50]和退火處理[13,51],隨后因為需要對水韌處理后的中錳鋼進行性能調整又研發了亞溫等溫、等溫處理和二次回火處理等[52-53]工藝。在水韌處理時,為了防止奧氏體中析出較多的碳化物,應選擇合適的升溫速率和入水溫度[54]；經水韌處理的1.2C-6.2Mn-0.51Si中錳鋼的屈服強度為440 MPa,抗拉強度為640 MPa,斷后伸長率為14.6%[17]。中錳鋼經淬火+回火處理后可以得到回火板條馬氏體、ε-FexC和少量的殘余奧氏體[7,25]。隨著淬火溫度的升高,中錳鋼組織由鐵素體和馬氏體向全馬氏體組織轉變[49]。熱軋中錳鋼經退火后可以得到片層狀交替分布的鐵素體和殘余奧氏體組織,而冷軋中錳鋼則可得到等軸鐵素體和島狀殘余奧氏體[23,55]。錳和碳含量較高的中錳鋼組織中存在明顯的錳和碳的宏觀偏析帶,因此退火后的亞穩奧氏體呈現層狀和雙尺度分布特征[55]。
為了提高中錳鋼的性能,近年來新開發了臨界退火[10,12-13,21]、淬火配分（Q&P）[11,38,45]、逆相變退火（ART）[14,31,36,42]和多次軋制+低溫回火（D&P）[5]等工藝。臨界退火是將中錳鋼由室溫加熱到臨界奧氏體轉變溫度并保溫一段時間后進行水冷或空冷的熱處理方法。這種方法制備的0.27C-3.84Mn-1.6Al-0.6Si-0.07V-0.03Nb中錳鋼具有良好的綜合性能,屈服強度為848 MPa,抗拉強度為1 118 MPa,斷后伸長率為42%,強塑積為47.1 GPa·%[13]。Q&P處理在淬火過程中通過碳原子從毗鄰的馬氏體向奧氏體中聚集使奧氏體富碳,以達到未轉變奧氏體穩定保留到室溫狀態的目的,最終獲得馬氏體和殘余奧氏體雙相組織,從而提高中錳鋼的綜合性能。Q&P處理后,0.32C-3.65Mn-1.48Si-0.24Mo-0.34Ti中錳鋼的屈服強度為1 074 MPa,抗拉強度為1 527 MPa,斷后伸長率為10.5%,硬度為527.7 HV[11]。ART是將中錳鋼經奧氏體化后淬火得到全馬氏體組織,再加熱到兩相區溫度并保溫后空冷至室溫,獲得馬氏體或鐵素體+殘余奧氏體雙相組織的一種工藝。ART工藝能夠細化晶粒,顯著提高中錳鋼力學性能并且縮短制備時間[24],所制備的0.1C-7.0Mn-0.05Al-1.0Si中錳鋼具有良好的綜合性能,屈服強度為1 130 MPa,抗拉強度為1 240 MPa,強塑積為52 GPa·%[30]。通過調整ART熱處理參數可以使0.3C-9.0Mn-2.0Al-3.0Cu中錳鋼的強塑積達到67.2 GPa·%[9]。ART熱處理工藝得到的板條馬氏體內部存在高密度位錯,提高了變形初期的加工硬化和抗拉強度,在保持中錳鋼原有屈服強度的基礎上,消除了屈服平臺延伸[51]。研究[14]發現,兩步ART處理可以使中錳鋼的組織更加均勻,力學性能更加穩定,且增加兩步ART工藝之間的溫度差,可進一步提高中錳鋼的力學性能。D&P工藝是對中錳鋼進行熱軋+溫軋+冷軋多次變形,再進行低溫回火的處理過程；采用該工藝制備的中錳鋼具有非均勻亞穩奧氏體嵌入馬氏體基體的層狀雙相組織,馬氏體基體具有不均勻的晶粒形貌和亞結構,晶間存在大量的位錯,晶內有位錯和孿晶,中錳鋼的屈服強度可達到2 210 MPa,強塑積達到35.2 GPa·%[5]。
4. 力學性能
通過合金化改變顯微組織、控制晶粒尺寸和相變行為等方法,可以不斷提高中錳鋼的力學性能。經過30多a的研究,中錳鋼的屈服強度由最初的385 MPa逐步提高到2 210 MPa,抗拉強度由491 MPa提高到1 820 MPa,強塑積未見明顯的變化,分布在10~68 GPa·%之間,斷后伸長率由11%提高到55%。
早期對于錳質量分數在6%左右、碳質量分數在1%左右中錳鋼的研究較多,主要通過添加鈦、鉬、鈮和氮等合金元素對中錳鋼進行合金化來提高其性能,熱處理方式通常為水韌處理[6,18,47,56],所制備的中錳鋼組織一般為亞穩態單相奧氏體,屈服強度在385~602 MPa之間,抗拉強度在491~713 MPa之間,斷后伸長率在5.4%~13%之間。從2000年起,研究者以Mn6中錳鋼為基礎,通過減少或者提高錳含量的方法,研究不同錳含量中錳鋼的力學性能。孔華君等[54]研究了0.58C-7.50Mn-1.25Cr-0.44Si-0.09Mo中錳鋼分別在水韌處理、等溫處理和二次回火處理后的組織和性能變化,發現：水韌處理后得到單一奧氏體組織,等溫處理后得到珠光體、屈氏體、馬氏體及殘余奧氏體組成的多相組織,二次回火處理后的組織為奧氏體基體、粒狀碳化物及馬氏體；二次回火處理后的抗拉強度最大（471.3 MPa）,等溫處理后次之（462.6 MPa）,水韌處理后最低（402.1 MPa）。許振明等[57]通過對含碳質量分數0.8%~1.5%、錳質量分數3.5%~5.0%、硅質量分數1.0%~2.5%的中錳鋼進行變質處理,獲得奧氏體+貝氏體組織,且組織中均勻分布著以碳、錳和硅為主要元素的球團狀共晶體,該鋼的硬度可達40~50 HRC,抗拉強度在800~970 MPa。
2010年后,特別是ART和Q&P熱處理工藝的出現,使得中錳鋼的力學性能大幅提高,屈服強度和抗拉強度高于1 000 MPa。熱處理方式的改變使得中錳鋼顯微組織發生改變,從而改變中錳鋼的力學性能。韓仃停[30]對0.1C-7.0Mn-1.0Si-0.05Al-0.003N中錳鋼進行了軋制+ART處理,得到奧氏體+鐵素體組織,該鋼的屈服強度為1 130 MPa,抗拉強度為1 240 MPa,斷后伸長率為42%,強塑積為52 GPa·%。鄧杰等[11]對0.32C-1.48Si-3.65Mn-0.24Mo-0.34Ti中錳鋼進行了Q&P熱處理,得到的顯微組織由板條狀一次馬氏體、塊狀二次馬氏體及細小的殘余奧氏體組成,同時還存在大量彌散分布的微米級析出相；馬氏體相變時的不均勻切變以及界面附近塑性變形引起的大量位錯和層錯、馬氏體不對稱畸變偶極應力場、納米（Ti,Mo）C粒子與位錯的交互作用、第二相粒子的細晶強化作用和殘余奧氏體TRIP效應的共同作用提高了中錳鋼的綜合性能,其屈服強度達到1 013 MPa,抗拉強度為1 531 MPa,斷后伸長率為11.0%。
2017年,中錳鋼的力學性能得到進一步突破,屈服強度達到2 000 MPa以上,這一突破意味著我國研制的中錳鋼性能已領先世界其他國家。香港大學的黃明欣博士與北京科技大學的羅海文教授及其團隊對0.47C-10Mn-2Al-0.7V中錳鋼進行熱軋→臨界退火→冷軋→回火處理,得到具有高位錯密度的馬氏體+奧氏體組織,通過位錯相互作用使得中錳鋼獲得了2 000 MPa以上的超高屈服強度[5]。
5. 耐磨性能
我國最早對中錳鋼的研究以提高其耐磨性能為主要目的。中錳鋼在磨料磨損[58-59]、沖蝕磨損[49]、沖擊磨料磨損[60]、滑動摩擦磨損[37]、滑動-腐蝕磨損[61]等條件下均表現出良好的耐磨性能,主要磨損機理為顯微切削、鑿削磨損[59]和犁削磨損[62],主要抗磨機制為孿晶強化[63]、馬氏體相變強化[37]和復合強化[61]。
早期主要針對單相奧氏體中錳鋼的耐磨性能進行對比研究。孔憲武等[18]研究了水韌處理單相奧氏體中錳鋼的摩擦磨損性能,發現：在中、低應力磨損工況下,摩擦熱應力和切變應力的交互作用會造成中錳鋼中奧氏體的碳含量降低,導致中錳鋼發生馬氏體相變,加工硬化速率高于高錳鋼,具有較好的耐磨性能；在靜載磨料磨損工況下,中錳鋼的磨損質量損失為高錳鋼的83%,而在沖擊磨料磨損工況下,其磨損質量損失僅為高錳鋼的62%。王明勝等[6]設計了一種塑性變形誘發奧氏體向馬氏體轉變的上限溫度高于室溫的單相奧氏體中錳鋼,其碳質量分數為0.8%~1.1%,錳質量分數為6.0%~8.0%,硅質量分數為0.3%~0.8%,經6×104次沖擊后,該鋼的磨損質量損失為Mn13鋼的36%。謝敬佩等[47]研究了經淬火+回火處理的含鈮、氮和稀土元素的中錳鋼的沖擊磨料磨損性能,發現：不添加鈮、氮和稀土元素時中錳鋼的磨損質量損失為Mn13鋼的81%,添加鈮和氮時為Mn13鋼的50%,添加鈮、氮和稀土元素時為Mn13鋼的46%；彌散分布的鈮、氮化合物可以強化基體并阻礙位錯運動,稀土元素可以改善夾雜物的形狀及分布,從而提高基體的韌性,二者綜合作用使中錳鋼獲得了更好的耐磨性能。荊天輔等[64]研究發現,含鈦胞狀碳硼化物奧氏體中錳鋼0.88C-7.93Mn-0.41Si-0.73Ti-0.73B在沖擊磨料磨損條件下的磨損質量損失是Mn13鋼的51%,這是因為具有更高硬度的含鈦胞狀共晶組織可阻礙奧氏體變形并阻止磨粒侵入。隋金玲等[65]研究發現,當碳質量分數小于1.2%時,變質處理能提高中錳鋼的硬度、沖擊韌度、加工硬化能力和中等沖擊作用下的耐磨性能。何鎮明等[66]研究發現,奧氏體穩定性較差的中錳鋼的加工硬化效應是位錯強化和應變誘發馬氏體共同作用的結果,合適的奧氏體穩定性和二次相顆粒可使單相奧氏體中錳鋼的耐磨性比高錳鋼提高50%~140%。
近年來,由于ART和Q&P熱處理工藝的出現,中錳鋼的顯微組織從單相奧氏體轉變為殘余奧氏體+馬氏體或鐵素體的雙相組織,耐磨性能也發生明顯變化。孫榮民[7]對0.15C-4.94Mn-0.003N中錳鋼進行ART熱處理,在650 ℃下退火1 min得到了殘余奧氏體+馬氏體組織,而相同溫度下退火6 h得到殘余奧氏體+鐵素體組織；在二體磨料磨損工況下,ART熱處理中錳鋼的磨損質量損失是淬火+回火處理的64%,且組織為殘余奧氏體+鐵素體時的耐磨性能略優于組織為殘余奧氏體+馬氏體,前者磨損質量損失是后者的93%。鄧杰等[11]對含鈦量較高的0.32C-3.65Mn-1.48Si-0.24Mo-0.34Ti中錳鋼進行Q&P熱處理,獲得馬氏體+殘余奧氏體組織,同時組織中還存在彌散分布的微米級TiN以及納米級（Ti,Mo）C和TiN-（Ti,Mo）復合析出相；二體磨料磨損試驗結果顯示,這些析出相對磨粒的鑿入和切削具有阻礙作用。黃龍[50]對化學成分（質量分數/%）為（0.11~0.12）C,（2.9~3.1）Mn,（0.2~0.22）Si,0.02Al,0.013Ti,0.004N的中錳鋼進行Q&P熱處理,獲得了殘余奧氏體+馬氏體組織,在沖擊磨料磨損工況下,該鋼的磨損質量損失明顯低于NM360馬氏體鋼。經ART和Q&P熱處理后中錳鋼的耐磨性能比馬氏體鋼有所提高。
6. 結束語
經過30多a的發展,研究者通過優化成分設計和熱處理工藝等方法使中錳鋼的力學性能大幅提高,屈服強度由385 MPa逐步提高到2 210 MPa,抗拉強度由491 MPa提高到1 820 MPa,強塑積最高達到67.2 GPa·%,斷后伸長率由11%提高到55%。在磨料磨損、沖蝕磨損、沖擊磨料磨損、滑動摩擦磨損、滑動-腐蝕磨損等工況下,中錳鋼均表現出良好的耐磨性能。根據上述對中錳鋼的研究進展和應用情況的分析,得到今后中錳鋼的研究方向如下：（1）研究熱處理工藝、化學成分以及軋制工藝的協同作用對中錳鋼顯微組織的影響,進一步優化化學成分和熱處理工藝,對顯微組織進行調控,最終不斷提高其使用性能；（2）研究中錳鋼的工業化生產和應用技術,使實驗室研究成果更好地服務于工業生產；（3）研究如何將強韌性優異的中錳鋼與硬顆粒相結合,設計開發出顆粒增強中錳鋼基復合材料,或可進一步提高中錳鋼的耐磨性能。
文章來源——材料與測試網
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