中锰钢的成分设计、加工工艺、微观组织、力学性能及氢脆综述

中锰钢的成分设计、加工工艺、微观组织、力学性能及氢脆综述

中锰钢（锰含量3-12 wt. %）因其优异的力学性能及轻量化潜力在汽车工业中展现出广泛的应用前景。本文从成分设计、加工工艺、微观组织、力学性能及氢脆等方面综述了中锰钢的研究进展并根据目前存在的问题对中锰钢未来的发展方向及研究前景提出了展望。

研究背景

由于汽车数量的不断增加，节能减排问题受到了广泛关注。汽车减重是限制燃料消耗的有效方法。因此，现代汽车用钢的发展目标是在确保行车安全的同时实现轻量化。以中锰钢为代表的第三代先进高强钢不但克服了前两代钢所存在的性能差、成本高的缺点，而且兼具轻量化潜力，逐渐受到汽车工业的青睐，被用于制造冲击梁、底盘和保险杠等关键部件。然而，钢材强度的提升往往伴随着塑性的损失，这增加了脆性断裂的风险，尤其是氢脆。鉴于此，通过改良合金成分和加工工艺调控微观组织成为了打破中锰钢强塑平衡桎梏，提升氢脆抗性的有效途径。

本文亮点

（1）从合金成分设计角度出发，明确了C、Mn、Al、Cu等主要元素的添加阈值及其对中锰钢微观组织演变及力学性能的影响；
（2）详细介绍了中锰钢制备过程中常见的轧制工艺及热处理制度，为后人的研究提供了参考价值；
（3）讨论了微观组织、氢浓度和应变等因素对中锰钢氢脆行为的影响，总结了提高中锰钢抗氢脆性能的实用策略。

图文解析

图1 不同锰含量中锰钢的极限抗拉强度、总延伸率及强塑积汇总
锰是决定中锰钢奥氏体热力学稳定及机械稳定的关键元素。此外，锰在操纵层错能中同样扮演重要角色。由于层错能的升高，锰含量介于9-12 wt. %之间的中锰钢在变形过程中可表现出TRIP和TWIP效应的连续作用，从而实现优异的力学性能。但高锰含量的添加同样也会带来问题，例如锰易在晶界处偏析产生脆性带，导致钢材塑性降低；锰元素的扩散缓慢，需要长时间的热处理以确保其在奥氏体中的配分。

图2 轧制工艺对中锰钢微观组织的影响
中锰钢的轧制技术一般包括热轧（HR）、冷轧（CR）和温轧（WR）。热轧和冷轧已经得到了广泛的研究。热轧通常在AC3温度以上进行，此时钢中形成沿轧制方向分布的片层状晶粒。冷轧一般在热轧的基础上进行，其温度低于再结晶温度。在冷轧过程中，晶粒之间的相互挤压会积累变形能，加速热处理过程中的再结晶，导致晶粒形态转变为等轴。值得注意的是，温轧在恢复温度和再结晶温度之间进行，可促进钢中具有高变形能的奥氏体充分长大为等轴晶，而剩余的晶粒将继续保持片层形态，最终形成非均奥氏体分布。

图3 轧制技术、温度及压下量对中锰钢力学性能的影响
此前提到，轧制技术可直接影响微观组织形貌，进而影响中锰钢的性能。例如，等轴晶粒之间的挤压会引起局部应力集中，激活可移动位错，导致更高的强度和延伸率。而与均相奥氏体相比（仅包含单一形貌晶粒），非均相奥氏体（同时包含多形貌晶粒）在变形过程中表现出递进且持续的TRIP效应，具有更佳的强度-塑性平衡。轧制温度对晶粒的生长也起着至关重要的作用。例如，较低的热轧温度可以抑制动态恢复，促进应变诱导晶界的产生，通过晶粒细化和发展高密度大角度晶界提高钢材的强度和韧性。此外，低轧制温度有助于加速原奥氏体晶界附近具有相同晶体取向和空间排列的逆变奥氏体的形成，这种现象被称为奥氏体记忆效应，它可以缓解变形过程中的局部应变集中。此外，轧制压下量也是决定中锰钢性能的关键因素。大压下量通常意味着更细的晶粒和更高的强度。与冷轧相比，热轧和温轧过程中晶粒具有更优异的变形和恢复能力，是大压下量重轧的最佳选择。

图4 非均元素分布抑制氢致裂纹示意图（原图转载自https://doi.org/10.1038/s41563-021-01050-y，已获Springer Nature授权）
经成分设计及工艺调控后，中锰钢所面临最终问题仍然是服役。高强钢在临氢环境中的氢脆问题由来已久，亟待解决。定制微观组织是提升中锰钢抗氢脆性能的常用方式。例如，制备铁素体-奥氏体双相中锰钢，利用铁素体基体的应力配分保护奥氏体，避免其在变形过程中过早发生马氏体转变；也可通过设计纳米尺度薄膜形貌奥氏体，利用其高机械稳定性抵抗裂纹尖端应力集中引起的马氏体相变。近期，调控非均化学分布成为了改善中锰钢氢脆问题的新方向。通过两步退火制备可制备核壳结构奥氏体，富锰外壳有效抑制了贫锰核心的马氏体相变，阻碍了裂纹的萌生与扩展；也有研究利用热处理过程中相变和溶质扩散之间的动力学失配，在不同持续时间和温度的热处理下制备了分散的富锰区。高密度富锰区形成的缓冲层延缓了氢的迁移和裂纹扩展。

总结与展望

本文综述了中锰钢的合金成分、加工工艺、微观组织、力学性能和氢脆行为。随着研究的不断深入，中锰钢正逐步向更优异的性能发展。然而，仍有一些问题等待进一步解决与完善：

（1）合理的合金成分往往建立在大量的实验基础上，需要大量的成本与时间。利用机器学习或材料基因工程来识别潜在的合金成分可能是中锰钢未来发展的方向。
（2）定制结构的中锰钢（如非均结构）展现出了优异的力学性能，但其制备工艺较为复杂。设计简易且实用的制备工艺对中锰钢的发展有重要意义。
（3）氢脆的研究正逐步向更微观的尺度发展，以加深对其机理的理解。目前诱导氢致开裂的临界氢浓度、氢与微观组织的相互作用、腐蚀对氢脆的影响等方面仍有待澄清，值得进一步研究。

引用本文
Yan Zhang, Qizhe Ye, Yu Yan, Processing, microstructure, mechanical properties, and hydrogen embrittlement of medium-Mn steels: A review, J. Mater. Sci. Technol. 201 (2024) 44-57.