1、概况
在低碳钢中添加5%-7%Mn，制造高强度高韧性钢的研究工作早在20世纪70年代就已经开始进行。最近开发出的Mn含量小于高锰TWIP钢的“中锰钢”，具有力学性能和合金成本的综合优势，已经作为新一代AHSS(先进高强度钢)而受到关注。日本本田技术研究所研究了Mn在提高超微细铁素体低碳钢均匀伸长率方面的作用。低碳钢中添加Mn的目的是，使钢可以进行较低温度下的两相区退火、抑制晶粒长大和导入硬质相。此前有研究报告报导了在4%Mn的较少锰含量的情况下，利用亚微米等轴晶粒组织控制，形成复相组织的方法也可以使钢具有1200MPa的高强度和20%以上的高延性。该研究确认，钢中残余奥氏体的应变诱发马氏体相变提高钢的加工硬化率，对于钢的高强度、高韧性有很大作用。近年来对“中锰钢”的组织和力学性能研究十分活跃，但仍有许多不明之处。本文研究了残余奥氏体分量、母相及第二相晶粒大小等组织因素对“中锰钢”力学性能的影响。
2、实验方法
用真空熔炼方法制作实验用钢钢锭，实验钢锭的成分是在0.1%C-0.2%Nb-15ppmB成分基础上添加2%-5%Mn。对实验钢锭进行1200℃×1h的加热，加热后在奥氏体(γ)区将实验钢锭轧制成厚度为5mm的钢板并进行水冷。将钢板再加热到1000℃后水冷，然后再加热到铁素体-奥氏体两相区，并进行水冷。这时钢的组织是微细的针状组织和片层状组织的复合组织。本研究为获得等轴晶粒，对上述热轧钢板进行冷轧和两相区退火。具体工艺是，将5mm热轧钢板冷轧为1mm的冷轧钢板，用两座盐浴炉对冷轧板进行600-700℃×120s的两相区退火，然后进行400℃×300s退火(OA处理)。此外，为研究组织微细化对性能的影响，利用真空熔炼法制作0.15%C-4%Mn-0.05%Nb的钢锭。在γ区将钢锭轧制成厚度为3.5mm的钢板并空冷到室温，然后将3.5mm的热轧钢板冷轧到1.2mm，再对冷轧钢板进行两相区退火和OA处理。为使一部分试样的晶粒粗大化，对一部分冷轧钢板进行620℃×3h的再结晶热处理，再结晶热处理后进行两相区600s退火和OA处理。用SEM对TD断口进行观察，用X射线(Co-Kα)衍射法测定钢中的γ量，测定用的试样是化学研磨试样。用标点距离为6mm、宽度为2mm的小试样测定钢的轧制方向的拉伸性能。
3、实验结果与分析
关于0.1%C-5%Mn钢的残余奥氏体量与拉伸性能的关系。600-700℃退火的0.1%C-5%Mn钢的组织都是以晶粒直径小于0.5μm的超微细铁素体为母相的复相组织。退火温度升高，第二相分量增加，但铁素体晶粒直径变化很小。图1是不同温度退火试样的公称应力-应变曲线，图中还标明了残余奥氏体量。残余奥氏体量小于16%时，公称应力-应变曲线中未出现均匀伸长，退火温度为660℃时，钢中的残余奥氏体量为22%，试样在滑移变形后出现加工硬化现象。退火温度继续升高，钢的强度随之升高，但均匀伸长率下降。退火温度为680℃时，残余奥氏体量达到最大值，但作为强韧性综合指标的“抗拉强度×均匀伸长率”在退火温度为660℃时达到最大值。从图中可知，0.1%C-5%Mn钢出现加工硬化所需要的残余奥氏体量约为20%，该值大于普通TRIP钢的残余奥氏体量(百分之几~百分之十几)。
图2是0.1%C-Mn复相组织钢的残余奥氏体量和真应变为5%-10%的平均加工硬化率(Δσ/Δε)的关系。一般来说，钢中残余奥氏体量越多，即变形中产生的马氏体量越多，钢的加工硬化率越高。但从图2可知，当Mn含量为5%时，为提高钢的加工硬化率，需要更多的残余奥氏体量。由于Mn的固溶强化和铁素体晶粒微细化，5%Mn钢的屈服强度提高很多。由于变形应力大，出现均匀伸长所需要的应力就大。所以，对于5%Mn钢，为实现均匀伸长，就需要有更多的残余奥氏体量。
关于组织细化对钢性能的影响。图3是超微细(UFG)复合组织的0.15%C-4%Mn钢的SEM图像和粗大晶粒(CG)复合组织的0.15%C-4%Mn钢的SEM图像。UFG材和CG材的两相区退火温度分别是685℃和725℃，其中CG材在两相区退火前，增加了620℃的热处理。UFG材和CG材中的铁素体之外的第二相分量基本相等，为43%-45%。但残余奥氏体量不同，UFG材的残余奥氏体量是19%，CG材的残余奥氏体量较低，是9%。原因是，CG材的两相区退火温度高，残余奥氏体中的C量较低，在冷却和OA过程中容易转变为其他相。图4是UFG材和CG材的公称应力-应变曲线。CG材在变形开始后，加工硬化率立即变的很高，但随着变形的进行，加工硬化率很快下降。UFG材在滑移变形后，开始发生加工硬化，但在较大的应变区内仍保持加工硬化状态。在700℃两相区退火条件下，CG材中的残余奥氏体量略大于UFG材，为24%。图4中ref.表示的是残余奥氏体量为24%的CG材的公称应力-应变曲线，从该曲线上可以看出，残余奥氏体量为24%的CG材在比较大的应变下，仍保持加工硬化状态，均匀伸长率达到15%，但屈服强度和抗拉强度小于UFG材。原因是CG材母材晶粒粗大和第二相总量较低(33%)。
4、结语
“中锰”超微细晶粒复合组织钢，由于含有较多的残余奥氏体，显示出高强度和高加工硬化率，具有优良的强韧性。此外，组织微细化，对提高钢的综合性能也有很大作用。此前已经知道超微细晶粒复合组织钢具有良好的冲压成形性和较高的冲击吸收功，再加上本文所介绍的高强韧性，超微细晶粒复合组织钢将会成为新一代AHSS。