宋仁伯等：Fe-M-Al-C系中锰钢的研究现状与发展前景 815 prospected the future development trend,to provide a reference for the follow-up research and actual production of medium Mn steels. KEY WORDS Fe-Mn-Al-C:medium Mn steel:product of strength and elongation:intercritical annealing:TRIP effect:austenite stability 随着社会的发展，居民汽车保有量不断增加， 韧化机制，获得不输于第二代汽车用钢的力学性 截至2018年底全国汽车保有量达2.4亿辆，机动 能.代表产品有中锰钢、淬火+配分钢(Q&P钢)、 车保有量更是达到了3.27亿辆，但同时也带来了 热成型钢(HP钢)等. 严重的能源消耗和环境污染问题.汽车行业的空 其中中锰钢作为最具潜力的新一代先进高强 前发展和人民生活对美好环境的需求相结合，对 汽车用钢.同时兼具高强度与高塑性，能够很好地 汽车用材料提出了轻量化的要求.根据研究表明， 满足汽车在轻量化与安全性方面的要求.中锰钢 汽车自重的降低与油耗的降低呈线性关系，汽车 的Mn质量分数在3%~12%之间（不同文献对于 自重每减少10%，燃油消耗就可以降低6%~8%， 中锰钢锰元素质量分数的下限略有区别，这里选 而每减少1L的燃油消耗，就会减少排放2.45kg 择最低值)，由于其合金元素含量较低，因而成本 的C02温室气体-)常用的轻质材料比如铝合 远低于第二代先进高强汽车用钢：其实现高强高 金、碳纤维等，不能满足汽车某些结构部分，如支 塑的原理为：热轧或冷轧板在临界退火过程中发 柱和保险钢的性能要求.据统计，钢铁材料占到汽 生奥氏体逆转变，形成亚微米级的奥氏体和铁素 车总质量的50%以上，所以，以钢铁材料为主体， 体的双相组织，利用中锰钢中亚稳奥氏体在变形 加入一定量轻量化合金元素以减轻材料密度，提 过程中发生TRIP或TWIP效应来提高钢的强度和 高材料的力学性能以减薄钢板厚度，成为了目前 塑性，强塑积目前可达70GPa%,性能接近甚至 汽车用材料“轻薄化”研究的主旋律 超过第二代先进高强汽车用钢. 先进高强度汽车用钢经过了多年的发展，目 而Fe-Mn-Al-C系中锰钢作为中锰钢中的一 前已经发展到了第三代.其中，第一代先进高强度 个系列，通过向钢中加入轻量化元素A1,以及常用 汽车用钢的代表产品有双相钢(DP)、复相钢 的固溶元素同时也是奥氏体稳定元素M,来扩大 (CP)、马氏体钢(MART)、低碳钢(Mild)、无间隙 奥氏体相区，进而在常温下获得大量具备一定稳 原子钢(F)和热成形钢(PHS)等.其组织以铁素体 定性的奥氏体，是目前研究的重点 为基体，奥氏体质量分数较低(15%以下)，强塑积 1Fe-Mn-A-C系中锰钢的成分设计思路 (PSE)在5~15GPa%.例如，DP钢的组织为铁素 体+马氏体，TRP钢的组织为铁素体+贝氏体+残 Fe-Mn-Al-C系中锰钢以Fe为基体元素，C为 余奥氏体(RA)).第二代先进高强度汽车用钢的 固溶元素，Mn和AI为主要的合金元素：有些情况 代表产品有孪晶诱导塑性钢(TWIP钢)、轻质诱发 还会向其中加入一些其他合金元素比如V、Nb、 塑性钢(L-IP钢)等.通过向钢中加入大量的合金 Ti、B、Si,涉及的元素种类多，性能对成分配比的 元素（主要元素为M),而在常温下获得大量稳定 敏感度大.下面是近年来针对Fe-Mn-Al-C系中 的奥氏体组织，在之后的变形过程中会因应变诱 锰钢主要成分元素对性能影响的研究分析. 导而产生对塑性有利的机械孪晶，因而获得较高 1.1Mn元素的作用研究 的应变硬化速率和优异的力学性能，强塑积可达 Mn作为一种奥氏体稳定元素，是Fe-Mn-Al-C 60GPa%,叫.但合金元素的大量加入提高了生产成 系中锰钢中最重要的合金元素.Mn的加入可以提 本，而且在后续的加工中会出现一系列工艺问题， 高奥氏体的含量和稳定性，同时扩大奥氏体相区， 如屈服强度低、易发生延迟开裂等 降低马氏体转变温度(M点)，以在常温下也可以 第三代先进高强度汽车用钢将前两代汽车用 获得相当数量的亚稳奥氏体组织，在后续的变形 钢的组织特点相结合，将具有高塑性的铁素体组 过程中发生马氏体转变或者形成变形孪晶，利用 织和高应变硬化效果的奥氏体组织相配合，充分 TRIP效应和TWIP效应来提高钢的塑性.第二代 利用细晶强化、固溶强化等强化手段和相变诱导 汽车用钢的设计思路就是向钢中加入大量的M 塑性(TRIP效应)、孪晶诱导塑性(TWIP效应)、微 元素，使其在常温下获得以奥氏体为基体甚至是 带诱导塑性(MBIP)、剪切带诱导塑性(SIP)等强 全奥氏体组织.Mn、AI在轧后的热处理过程中呈prospected the future development trend, to provide a reference for the follow-up research and actual production of medium Mn steels. KEY WORDS    Fe–Mn–Al–C；medium Mn steel；product of strength and elongation；intercritical annealing；TRIP effect；austenite stability 随着社会的发展，居民汽车保有量不断增加， 截至 2018 年底全国汽车保有量达 2.4 亿辆，机动 车保有量更是达到了 3.27 亿辆，但同时也带来了 严重的能源消耗和环境污染问题. 汽车行业的空 前发展和人民生活对美好环境的需求相结合，对 汽车用材料提出了轻量化的要求. 根据研究表明， 汽车自重的降低与油耗的降低呈线性关系，汽车 自重每减少 10%，燃油消耗就可以降低 6%～8%， 而每减少 1 L 的燃油消耗，就会减少排放 2.45 kg 的 CO2 温室气体[1−2] . 常用的轻质材料比如铝合 金、碳纤维等，不能满足汽车某些结构部分，如支 柱和保险钢的性能要求. 据统计，钢铁材料占到汽 车总质量的 50% 以上. 所以，以钢铁材料为主体， 加入一定量轻量化合金元素以减轻材料密度，提 高材料的力学性能以减薄钢板厚度，成为了目前 汽车用材料“轻薄化”研究的主旋律. 先进高强度汽车用钢经过了多年的发展，目 前已经发展到了第三代. 其中，第一代先进高强度 汽车用钢的代表产品有双相钢 （ DP） 、复相钢 （CP）、马氏体钢（MART）、低碳钢（Mild）、无间隙 原子钢（IF）和热成形钢（PHS）等. 其组织以铁素体 为基体，奥氏体质量分数较低（15% 以下），强塑积 （PSE）在 5～15 GPa·%. 例如，DP 钢的组织为铁素 体+马氏体，TRIP 钢的组织为铁素体+贝氏体+残 余奥氏体（RA） [3] . 第二代先进高强度汽车用钢的 代表产品有孪晶诱导塑性钢（TWIP 钢）、轻质诱发 塑性钢（L–IP 钢）等. 通过向钢中加入大量的合金 元素（主要元素为 Mn），而在常温下获得大量稳定 的奥氏体组织，在之后的变形过程中会因应变诱 导而产生对塑性有利的机械孪晶，因而获得较高 的应变硬化速率和优异的力学性能，强塑积可达 60 GPa·% [1] . 但合金元素的大量加入提高了生产成 本，而且在后续的加工中会出现一系列工艺问题， 如屈服强度低、易发生延迟开裂等. 第三代先进高强度汽车用钢将前两代汽车用 钢的组织特点相结合，将具有高塑性的铁素体组 织和高应变硬化效果的奥氏体组织相配合，充分 利用细晶强化、固溶强化等强化手段和相变诱导 塑性（TRIP 效应）、孪晶诱导塑性（TWIP 效应）、微 带诱导塑性（MBIP）、剪切带诱导塑性（SIP）等强 韧化机制，获得不输于第二代汽车用钢的力学性 能. 代表产品有中锰钢、淬火+配分钢（Q&P 钢）、 热成型钢（HP 钢）等. 其中中锰钢作为最具潜力的新一代先进高强 汽车用钢，同时兼具高强度与高塑性，能够很好地 满足汽车在轻量化与安全性方面的要求. 中锰钢 的 Mn 质量分数在 3%～12% [4] 之间（不同文献对于 中锰钢锰元素质量分数的下限略有区别，这里选 择最低值），由于其合金元素含量较低，因而成本 远低于第二代先进高强汽车用钢；其实现高强高 塑的原理为：热轧或冷轧板在临界退火过程中发 生奥氏体逆转变，形成亚微米级的奥氏体和铁素 体的双相组织，利用中锰钢中亚稳奥氏体在变形 过程中发生 TRIP 或 TWIP 效应来提高钢的强度和 塑性，强塑积目前可达 70 GPa·% [5] ，性能接近甚至 超过第二代先进高强汽车用钢. 而 Fe−Mn−Al−C 系中锰钢作为中锰钢中的一 个系列，通过向钢中加入轻量化元素 Al，以及常用 的固溶元素同时也是奥氏体稳定元素 Mn，来扩大 奥氏体相区，进而在常温下获得大量具备一定稳 定性的奥氏体，是目前研究的重点. 1    Fe−Mn−Al−C 系中锰钢的成分设计思路 Fe−Mn−Al−C 系中锰钢以 Fe 为基体元素，C 为 固溶元素，Mn 和 Al 为主要的合金元素；有些情况 还会向其中加入一些其他合金元素比如 V、Nb、 Ti、B、Si，涉及的元素种类多，性能对成分配比的 敏感度大. 下面是近年来针对 Fe−Mn−Al−C 系中 锰钢主要成分元素对性能影响的研究分析. 1.1    Mn 元素的作用研究 Mn 作为一种奥氏体稳定元素，是 Fe−Mn−Al−C 系中锰钢中最重要的合金元素. Mn 的加入可以提 高奥氏体的含量和稳定性，同时扩大奥氏体相区， 降低马氏体转变温度（Ms 点），以在常温下也可以 获得相当数量的亚稳奥氏体组织，在后续的变形 过程中发生马氏体转变或者形成变形孪晶，利用 TRIP 效应和 TWIP 效应来提高钢的塑性. 第二代 汽车用钢的设计思路就是向钢中加入大量的 Mn 元素，使其在常温下获得以奥氏体为基体甚至是 全奥氏体组织. Mn、Al 在轧后的热处理过程中呈 宋仁伯等： Fe−Mn−Al−C 系中锰钢的研究现状与发展前景 · 815 ·