中锰钢的加工、微观结构与性能关系

“强度 - 塑性此消彼长”的规律，似乎可以说是制约高强钢发展的普遍规律之一。特别是进入汽车轻量化以后，更是把这一矛盾无限地放大了，不但要满足更高的抗拉强度和更大的均匀延伸率，而且还兼顾成本、成形性、焊接性、可匹配现有的产线系统等要求。基于这些客观的条件，作为概念存在多年的中锰钢(Medium Mn steels),也逐渐开始形成一定的体系化设计思路，成为第三代先进高强钢(3Gen AHSS)的一种可能。

相比传统的单纯依靠一种塑性机制的钢种而言，中锰钢的重点并不是“极端性能”性能，而是通过对不同成分-工艺-组织-性能进行协同设计，在强度、塑性和工程可行性之间建立起一个新的窗口。以图示的方式，从中锰钢材料体系的发展出发，对其中所涉及到的关键科学问题及背后的工程逻辑进行梳理。

是否能将中锰钢打造成“第三代先进高强钢”，关键就在于它的强度-塑性是否满足了“强度-塑性空间”。如图1所示，不同的钢材的抗拉强度（σb）-总延伸率（εtot）在强度-塑性空间中的分布具有典型的“香蕉型”特征，图中黑色点代表已经商业化的钢种，红点代表中锰钢种的性能曲线，从图可以看出中锰钢与大多数的钢种相比，均沿高强度、高塑性的方向发展。其中800～1 200MPa范围内的中锰钢仍拥有25％～40％的延伸率，避免了DP钢塑性不足和TWIP钢工程代价过高的缺陷。表明中锰钢并不是一种“折中”产物，而是在一定程度上改变了现有的强塑协同区间，是在一定条件下对强塑性区间重新进行了定位。

图1. 比较了黑色的商业钢和红色的文献中锰钢的“香蕉”图

为评价中锰钢,首先要明确其标靶。表1列出了第三代先进高强钢(HAHS)的典型性能指标，并列出了目前大多数材料厂商所能够提供的各主流HAHS的产品性能区间，该表中还给出了两种典型的目标HSED(high-strength exceptional ductility)和HDES(high ductility exceptional strength),这两种目标都对车用钢未来的“强度 -延性协同”量化要求进行了界定，而中锰钢的设计依据就是这个目标区间：尽可能地向其靠近，而又避开高锰带来的高成本与高难度工艺的问题。

表1. 美国能源部（US DOE）第三代先进高强度钢（3Gen AHSS）目标以及WorldAutoSteel先进高强度钢材料组合中钢材的拉伸性能

当TWIP钢中的锰含量由16～30wt.%降至4～12wt.%时，室温组织也由单相奥氏体变成α+γ双相结构。图2~图4是对产生这种转变的基础热力学原因做的系统阐述。由图可知：γ+α的临界区，随着其温度、成分的变化，奥氏体的体积分数也随之发生较大变化，并且这种变化十分敏感。这对于之后的控奥氏体化热处理来说有一定的调节基础作用；同时这也为设计出以“工艺主导性能”的中锰钢系奠定了良好的基础。

在中锰钢系的控制过程中，临界区退火（Intercritical Annealing, IA）并不是一个单纯的组织调节手段，是获得中锰钢系的最关键工艺参数。从图5—图8可以看出IA是元素再分布的过程：锰和碳向奥氏体转移、铝和硅向铁素体转移，所以室温下奥氏体主要是由临界区退火形成的。当进行塑性变形后，具有较高稳定性且位错敏感度低的奥氏体将会发生相变，在这方面起着关键作用。

奥氏体形态、尺寸及分布对中锰钢的力学响应起着决定作用，图9～图17为不同工艺路线下的典型显微组织。从EBSD及相分布可以看出，细小且分布均匀的奥氏体，在拉伸过程中更容易发生逐级的转变，其带来的加工硬化是一种递进的效应，这种“尺度调控”是区别于传统TRIP钢的一个重要概念。

随着奥氏体稳定性的降低，中锰钢的塑性增强机制由单- TWIP 行为，逐渐演变为以 TRIP 为主、TWIP 为辅的协同模式。通过调控奥氏体稳定性分布，可以实现马氏体相变的延迟与分散发生，从而有效推迟颈缩并提高均匀延伸率。

中锰钢是一个炼钢难度高但潜力非常大的钢种。通过调整其成分和改进加工工艺，可以获得各种类型的微观组织以及TWIP和/或TRIP类型的多种塑性强化机理，并达到很好的拉伸强度。新型合金设计及热机械成形等方面已经取得了很大的进步。而且很多方案的拉伸强度已经进入了第三代先进高强度钢（3G AAHS）的目标范围。相较于高锰TWIP钢来说，具有更好的工业可量产性和成本优势。但是现阶段要想促进其实际应用的话，还需加强对该钢种成分范围、加工路线、微观组织以及变形机制的研究。

总体而言，正在开展中等锰钢研究工作，很多科学和关键技术的问题也在逐个突破，预计这些问题很快会得到解决，中等锰钢将会被应用到工程中去，将成为钢铁材料发展的又一个重要里程碑。