.558· 工程科学学报，第41卷，第5期 KEY WORDS medium Mn steel;transformation-induced plasticity (TRIP);product of tensile strength and total elongation;heat treatment;service performance;hydrogen embrittlement 随着汽车保有量的快速增加，汽车尾气对环境的 大幅度上升，生成的新相马氏体提高材料强度，所以 影响日益严重，节能减排受到国内外的格外关注.当 中锰钢强塑积很高).位错密度的升高和相界面的 前先进高强汽车板带钢的发展目标就是实现车身减 增加可提高材料的强度，中锰钢变形过程位错密度 重并兼顾驾驶安全，通过提高板带钢的强塑积实现 提升主要来源于马氏体，马氏体则来源于变形过程 钢板的减薄减轻，得到轻量化、降低油耗、环保安全 中奥氏体的相变，且相变后的新界面也会提升强度， 等实用价值.高强汽车板带钢经过了三代的发展历 因此增加奥氏体含量和细化晶粒可以提高中锰钢的 程.第一代高强钢材料包括无间隙自由钢(F钢)、 机械性能.残余奥氏体的含量及其稳定性很重要， 双相钢(DP钢)和相变诱导塑性(TRP)钢等低合金 稳定性的影响因素包括：晶粒尺寸、化学成分、显微 钢，通常强度不超过1000MPa,延伸率在20%~ 组织形貌，也与服役温度有关).本文对近几年报 30%,因而强塑积也较低（一般低于20GPa%).第 道的中锰钢的成分、工艺等进行了归纳，筛选其强塑 二代先进高强钢如高锰钢，其最大抗拉强度在 积接近或超过30GPa·%的文献，如表1所示 1100Pa左右，均匀延伸率高，最高达到95%)，因 图1(a)(图1数据源自表1)是延伸率-抗拉强 此其强塑积通常能超过50GPa·%水平.然而第二 度关系图，不论是热轧、冷轧还是温轧，随着抗拉强 代先进高强钢的合金元素质量分数超过20%，工艺 度升高，延伸率均是降低趋势：图1(b)是强塑积与 难度大、生产成本高、屈服强度低、易发生延迟开裂 奥氏体体积分数的关系图，奥氏体体积分数通过X 等，一直未能大规模走向应用 射线衍射分析计算得到.从图1(b)中可以看出，对 目前得到广泛关注的第三代先进高强钢包括淬 于热轧态和锻造态而言，强塑积与奥氏体体积分数 火配分(Q&P)钢、轻量钢、中锰TRP钢)]（以下简 的关系不太显著，这与A山元素添加与否及残余奥氏 称中锰钢).中锰钢的主要特点是低碳中合金，锰质 体计算方法不同有关，残余奥氏体的计算方法包括 量分数在3%~12%之间2】，由于合金元素含量较 两种：(1)行标YB/T5338一2006《钢中残余奥氏体 低，因而成本远低于第二代先进高强钢：由于中锰钢 定量测定X射线衍射仪法》，即原国标GB/T 中亚稳奥氏体的TRP效应[]，抗拉强度约750~ 8362一1987：(2)残余奥氏体体积分数： 2200MPa,总延伸率范围在15%~85%，强塑积可达 Va=1.41/(1.+1.41,) (1) 30~70GPa·%,性能远超第一代先进高强钢. 其中，I。、I,分别是相和奥氏体y相的累积强度 1国内外研究现状 计算方法(2)得到的残余奥氏体体积分数比行标计 目前针对中锰钢开展研究较多的国外机构有德 算值高.对于冷轧态和温轧态而言，强塑积随奥氏 国马普所、韩国延世大学、浦项科技大学等，国内有 体体积分数的增加有上升趋势，这对中锰钢的研制 钢铁研究总院、北京科技大学、东北大学等.中锰钢 有较强的指导作用，如何获得更多的亚稳奥氏体从 虽然已经有工业试制品，但大部分是实验室冶炼的 而得到较高的强塑积将成为指导成分设计和热处理 小炉样品，力学性能分散性大，成分设计和工艺技术 工艺的准则.图1(c)是强塑积与抗拉强度的关系 尚未定型，无法进行大规模工业化生产；另外，服役 图，强塑积与抗拉强度没有非常明显的对应趋势， 过程中奥氏体稳定性及抗延迟开裂能力尚未进行有 但若只考察强塑积在50GPa·%以上的数据，则发 效评估，这也是制约其产业化生产的因素之一.本 现除一个冷轧的点外，其他的点集中在抗拉强度 文将从成分设计、热处理工艺、微结构调控和服役性 1200MPa以下，原因如图1(a),抗拉强度升高的 能评价等方面综述中锰钢的研究进展，并针对其现 同时延伸率降低，导致较高强度反而有较低的强 有的初步服役性能数据，提出今后研究需重点关注 塑积，如Fe-0.47C-10Mn-2Al-0.7V经过温冷轧 的问题 回火强度达到2200MPa,延伸率16%，强塑积只有 中锰钢作为汽车用先进高强钢，组织中存在一 35.2GPa·%,Fe-0.2C-10Mn-4Al热轧态强度 定体积分数的亚稳态残余奥氏体，在变形过程中，残 889.6MPa延伸率79.6%，强塑积70.8GPa%;图1 余奥氏体部分或者全部发生应变诱导马氏体相变 (d)的是强塑积与延伸率的对应关系，强塑积均随 (TRP效应)，TRP效应可以延迟颈缩，使其延伸率 着延伸率的增加而呈现增长趋势，同样只考察强工程科学学报,第 41 卷,第 5 期 KEY WORDS medium Mn steel; transformation鄄induced plasticity (TRIP); product of tensile strength and total elongation; heat treatment; service performance; hydrogen embrittlement 随着汽车保有量的快速增加,汽车尾气对环境的 影响日益严重,节能减排受到国内外的格外关注. 当 前先进高强汽车板带钢的发展目标就是实现车身减 重并兼顾驾驶安全,通过提高板带钢的强塑积实现 钢板的减薄减轻,得到轻量化、降低油耗、环保安全 等实用价值. 高强汽车板带钢经过了三代的发展历 程. 第一代高强钢材料包括无间隙自由钢( IF 钢)、 双相钢(DP 钢)和相变诱导塑性(TRIP)钢等低合金 钢,通常强度不超过 1000 MPa, 延伸率在20% ~ 30% ,因而强塑积也较低(一般低于 20 GPa·% ). 第 二代先进高强钢如高锰钢, 其最大抗拉强度在 1100 MPa左右,均匀延伸率高,最高达到 95% [1] ,因 此其强塑积通常能超过 50 GPa·% 水平. 然而第二 代先进高强钢的合金元素质量分数超过 20% ,工艺 难度大、生产成本高、屈服强度低、易发生延迟开裂 等,一直未能大规模走向应用. 目前得到广泛关注的第三代先进高强钢包括淬 火配分(Q&P)钢、轻量钢、中锰 TRIP 钢[1] (以下简 称中锰钢). 中锰钢的主要特点是低碳中合金,锰质 量分数在 3% ~ 12% 之间[2] ,由于合金元素含量较 低,因而成本远低于第二代先进高强钢;由于中锰钢 中亚稳奥氏体的 TRIP 效应[3] ,抗拉强度约 750 ~ 2200 MPa,总延伸率范围在15% ~ 85% ,强塑积可达 30 ~ 70 GPa·% ,性能远超第一代先进高强钢. 1 国内外研究现状 目前针对中锰钢开展研究较多的国外机构有德 国马普所、韩国延世大学、浦项科技大学等,国内有 钢铁研究总院、北京科技大学、东北大学等. 中锰钢 虽然已经有工业试制品,但大部分是实验室冶炼的 小炉样品,力学性能分散性大,成分设计和工艺技术 尚未定型,无法进行大规模工业化生产;另外,服役 过程中奥氏体稳定性及抗延迟开裂能力尚未进行有 效评估,这也是制约其产业化生产的因素之一. 本 文将从成分设计、热处理工艺、微结构调控和服役性 能评价等方面综述中锰钢的研究进展,并针对其现 有的初步服役性能数据,提出今后研究需重点关注 的问题. 中锰钢作为汽车用先进高强钢,组织中存在一 定体积分数的亚稳态残余奥氏体,在变形过程中,残 余奥氏体部分或者全部发生应变诱导马氏体相变 (TRIP 效应),TRIP 效应可以延迟颈缩,使其延伸率 大幅度上升,生成的新相马氏体提高材料强度,所以 中锰钢强塑积很高[4] . 位错密度的升高和相界面的 增加可提高材料的强度,中锰钢变形过程位错密度 提升主要来源于马氏体,马氏体则来源于变形过程 中奥氏体的相变,且相变后的新界面也会提升强度, 因此增加奥氏体含量和细化晶粒可以提高中锰钢的 机械性能. 残余奥氏体的含量及其稳定性很重要, 稳定性的影响因素包括:晶粒尺寸、化学成分、显微 组织形貌,也与服役温度有关[5] . 本文对近几年报 道的中锰钢的成分、工艺等进行了归纳,筛选其强塑 积接近或超过 30 GPa·% 的文献,如表 1 所示. 图 1(a)(图 1 数据源自表 1)是延伸率鄄鄄抗拉强 度关系图,不论是热轧、冷轧还是温轧,随着抗拉强 度升高,延伸率均是降低趋势;图 1( b)是强塑积与 奥氏体体积分数的关系图,奥氏体体积分数通过 X 射线衍射分析计算得到. 从图 1(b)中可以看出,对 于热轧态和锻造态而言,强塑积与奥氏体体积分数 的关系不太显著,这与 Al 元素添加与否及残余奥氏 体计算方法不同有关,残余奥氏体的计算方法包括 两种:(1)行标 YB / T 5338—2006《钢中残余奥氏体 定量 测 定 X 射 线 衍 射 仪 法》, 即 原 国 标 GB / T 8362—1987;(2)残余奥氏体体积分数: VA = 1郾 4I酌 / (I琢 + 1郾 4I酌 ) (1) 其中,I琢 、I酌分别是 琢 相和奥氏体 酌 相的累积强度. 计算方法(2)得到的残余奥氏体体积分数比行标计 算值高. 对于冷轧态和温轧态而言,强塑积随奥氏 体体积分数的增加有上升趋势,这对中锰钢的研制 有较强的指导作用,如何获得更多的亚稳奥氏体从 而得到较高的强塑积将成为指导成分设计和热处理 工艺的准则. 图 1( c)是强塑积与抗拉强度的关系 图,强塑积与抗拉强度没有非常明显的对应趋势, 但若只考察强塑积在 50 GPa·% 以上的数据,则发 现除一个冷轧的点外,其他的点集中在抗拉强度 1200 MPa 以下,原因如图 1 ( a) ,抗拉强度升高的 同时延伸率降低,导致较高强度反而有较低的强 塑积,如 Fe鄄鄄0郾 47C鄄鄄10Mn鄄鄄2Al鄄鄄0郾 7V 经过温冷轧 回火强度达到 2200 MPa,延伸率 16% ,强塑积只有 35郾 2 GPa·% , Fe鄄鄄 0郾 2C鄄鄄 10Mn鄄鄄 4Al 热 轧 态 强 度 889郾 6 MPa 延伸率 79郾 6% ,强塑积 70郾 8 GPa·% ;图 1 (d)的是强塑积与延伸率的对应关系,强塑积均随 着延伸率的增加而呈现增长趋势,同样只考察强 ·558·