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      1、概況

    在低碳鋼中添加5%-7%Mn，制造高強度高韌性鋼的研究工作早在20世紀70年代就已經開始進行。最近開發出的Mn含量小于高錳TWIP鋼的“中錳鋼”，具有力學性能和合金成本的綜合優勢，已經作為新一代AHSS（先進高強度鋼）而受到關注。日本本田技術研究所研究了Mn在提高超微細鐵素體低碳鋼均勻伸長率方面的作用。低碳鋼中添加Mn的目的是，使鋼可以進行較低溫度下的兩相區退火、抑制晶粒長大和導入硬質相。此前有研究報告報導了在4%Mn的較少錳含量的情況下，利用亞微米等軸晶粒組織控制，形成復相組織的方法也可以使鋼具有1200MPa的高強度和20%以上的高延性。該研究確認，鋼中殘余奧氏體的應變誘發馬氏體相變提高鋼的加工硬化率，對于鋼的高強度、高韌性有很大作用。近年來對“中錳鋼”的組織和力學性能研究十分活躍，但仍有許多不明之處。本文研究了殘余奧氏體分量、母相及第二相晶粒大小等組織因素對“中錳鋼”力學性能的影響。

    2、實驗方法

    用真空熔煉方法制作實驗用鋼鋼錠，實驗鋼錠的成分是在0.1%C-0.2%Nb-15ppmB成分基礎上添加2%-5%Mn。對實驗鋼錠進行1200℃×1h的加熱，加熱后在奧氏體（γ）區將實驗鋼錠軋制成厚度為5mm的鋼板并進行水冷。將鋼板再加熱到1000℃后水冷，然后再加熱到鐵素體－奧氏體兩相區，并進行水冷。這時鋼的組織是微細的針狀組織和片層狀組織的復合組織。本研究為獲得等軸晶粒，對上述熱軋鋼板進行冷軋和兩相區退火。具體工藝是，將5mm熱軋鋼板冷軋為1mm的冷軋鋼板，用兩座鹽浴爐對冷軋板進行600-700℃×120s的兩相區退火，然后進行400℃×300s退火（OA處理）。此外，為研究組織微細化對性能的影響，利用真空熔煉法制作0.15%C-4%Mn-0.05%Nb的鋼錠。在γ區將鋼錠軋制成厚度為3.5mm的鋼板并空冷到室溫，然后將3.5mm的熱軋鋼板冷軋到1.2mm，再對冷軋鋼板進行兩相區退火和OA處理。為使一部分試樣的晶粒粗大化，對一部分冷軋鋼板進行620℃×3h的再結晶熱處理，再結晶熱處理后進行兩相區600s退火和OA處理。用SEM對TD斷口進行觀察，用X射線（Co-Kα）衍射法測定鋼中的γ量，測定用的試樣是化學研磨試樣。用標點距離為6mm、寬度為2mm的小試樣測定鋼的軋制方向的拉伸性能。

    3、實驗結果與分析

    關于0.1%C-5%Mn鋼的殘余奧氏體量與拉伸性能的關系。600-700℃退火的0.1%C-5%Mn鋼的組織都是以晶粒直徑小于0.5μm的超微細鐵素體為母相的復相組織。退火溫度升高，第二相分量增加，但鐵素體晶粒直徑變化很小。圖1是不同溫度退火試樣的公稱應力－應變曲線，圖中還標明了殘余奧氏體量。殘余奧氏體量小于16%時，公稱應力－應變曲線中未出現均勻伸長，退火溫度為660℃時，鋼中的殘余奧氏體量為22%，試樣在滑移變形后出現加工硬化現象。退火溫度繼續升高，鋼的強度隨之升高，但均勻伸長率下降。退火溫度為680℃時，殘余奧氏體量達到最大值，但作為強韌性綜合指標的“抗拉強度×均勻伸長率”在退火溫度為660℃時達到最大值。從圖中可知，0.1%C-5%Mn鋼出現加工硬化所需要的殘余奧氏體量約為20%，該值大于普通TRIP鋼的殘余奧氏體量（百分之幾~百分之十幾）。

    圖2是0.1%C-Mn復相組織鋼的殘余奧氏體量和真應變為5%-10%的平均加工硬化率（Δσ/Δε）的關系。一般來說，鋼中殘余奧氏體量越多，即變形中產生的馬氏體量越多，鋼的加工硬化率越高。但從圖2可知，當Mn含量為5%時，為提高鋼的加工硬化率，需要更多的殘余奧氏體量。由于Mn的固溶強化和鐵素體晶粒微細化，5%Mn鋼的屈服強度提高很多。由于變形應力大，出現均勻伸長所需要的應力就大。所以，對于5%Mn鋼，為實現均勻伸長，就需要有更多的殘余奧氏體量。

    關于組織細化對鋼性能的影響。圖3是超微細（UFG）復合組織的0.15%C-4%Mn鋼的SEM圖像和粗大晶粒（CG）復合組織的0.15%C-4%Mn鋼的SEM圖像。UFG材和CG材的兩相區退火溫度分別是685℃和725℃，其中CG材在兩相區退火前，增加了620℃的熱處理。UFG材和CG材中的鐵素體之外的第二相分量基本相等，為43%-45%。但殘余奧氏體量不同，UFG材的殘余奧氏體量是19%，CG材的殘余奧氏體量較低，是9%。原因是，CG材的兩相區退火溫度高，殘余奧氏體中的C量較低，在冷卻和OA過程中容易轉變為其他相。圖4是UFG材和CG材的公稱應力－應變曲線。CG材在變形開始后，加工硬化率立即變的很高，但隨著變形的進行，加工硬化率很快下降。UFG材在滑移變形后，開始發生加工硬化，但在較大的應變區內仍保持加工硬化狀態。在700℃兩相區退火條件下，CG材中的殘余奧氏體量略大于UFG材，為24%。圖4中ref.表示的是殘余奧氏體量為24%的CG材的公稱應力－應變曲線，從該曲線上可以看出，殘余奧氏體量為24%的CG材在比較大的應變下，仍保持加工硬化狀態，均勻伸長率達到15%，但屈服強度和抗拉強度小于UFG材。原因是CG材母材晶粒粗大和第二相總量較低（33%）。

    4、結語

    “中錳”超微細晶粒復合組織鋼，由于含有較多的殘余奧氏體，顯示出高強度和高加工硬化率，具有優良的強韌性。此外，組織微細化，對提高鋼的綜合性能也有很大作用。此前已經知道超微細晶粒復合組織鋼具有良好的沖壓成形性和較高的沖擊吸收功，再加上本文所介紹的高強韌性，超微細晶粒復合組織鋼將會成為新一代AHSS。

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