收稿日期:2008209207; 修订日期:2009201211基金项目：宝钢股份重大项目(D06EBEA207)资助
作者简介：梁高飞(19792
)，江苏丰县人，博士，高级工程师.主要从事薄带连铸技术.
Em ail :Lianggf @baosteel
梁高飞1，林常青1,2，于 艳1，方 园1
(1.宝钢股份研究院前沿技术研究所，上海201900;2.上海交通大学材料科学与工程学院，上海200030)
摘要：综述高强塑性高锰钢的研究进展。通过探讨汽车用高锰钢发展的背景、典型成分体系、变形机制、制造工艺与关键技术，初步展望了该领域的发展前景。关键词：高锰钢；强塑性;TWIP ；发展前景 中图分类号:T G142;T G113.1 文献标识码:A 文章编号:100028365(2009)0320404204
Re s e a r c h Pr o g r e s s i n Hi g h Ma n g a ne s e S t e el wit h Hi g h S t r e n gt h a n d Hi g h Pla s ti cit y
L IANG G ao 2fei 1,L IN Chang 2qing 1,2,YU Yan 1,FANG Yu an 1
(1.Advanced T echnology Institute of T echnology Center ,B aoshan Iron and Steel Co.,Ltd.,Shanghai 201900,China ;2.Dep artm ent of M aterials Science and E ngineering ,Sh angh ai Jiaotong U niversity ,Shanghai 200030,China)
Abs t rac t :The recent re search progre ss on the high mangane se steel with high strength and high
plasticity is reviewed.The development background of high mangane se steel for automobile ,its repre sentative compo sition serie s ,formation mechanisms ,fabrication methods ,as well as the key technologie s ,are discussed ,and the pro spect of high mangane se steel is analyzed.
Ke y w ords :H igh se steel ;Strength and plasticity ;TWIP ;Pro spect
高锰钢广泛用作冲击磨损的工件，包括Hudfield 钢、奥氏体中锰钢、高碳高锰钢、超高锰钢、变质奥氏体
中锰钢等[1]。高锰钢经适当成分设计后，表现出优异的强度、塑性、低温韧性、加工硬化性、以及抗冲击安全性，在机车、汽车、低温容器、高架建筑等领域展示出广阔的应用潜力[2]。
高锰钢无载荷作用下，室温组织为稳定的奥氏体。加载过程中，表现出应变诱导孪晶(Twinning Induced Plastic ,TWIP )效应[3]，产生大的无缩颈均匀延伸变形；同时，强度逐渐上升，材料硬化，这是高强塑性高锰钢最显著的力学特征。1 汽车用高锰钢发展背景 氟化钙汽车轻量、安全、低能耗的发展趋势，自主开发与自主品牌的发展，合资产品本土化的提升，都有力促进汽车工业对钢铁工业的需求，从而对钢铁产品在品种、规格、质量上提出更高的要求。面对这一市场的巨大诱惑，全球各大钢铁企业纷纷开设汽车钢板生产线，增加汽车用钢产品的种类，与此同步，钢铁企业还加大相
互间以及钢铁企业与汽车用户间的协作力度，努力提高产品质量，向汽车用户提供超值服务。
1993年，美国提出新一代汽车伙伴计划(PN GV ,Part nership for a New Generation Vehicle )。该计划倡议由政府和企业联合进行创新性技术研究。1994年9月在国际钢铁协会的倡议下，全世界18个国家的35家钢铁公司合作开展了超轻钢车体(UL SAB ,Ult ra Light Steel Auto Body )项目，以确保钢铁产业在汽车制造中的主导地位。
超轻钢车体计划(UL SAB )的基本目标是：在不增加成本的前提下，使汽车车身强度有大幅度提高，静态弯曲刚度增加52%，静态扭转刚度增80%，车体模量增加58%，车重减轻25%，而且不再需要增加补强部件。由此各大钢铁公司开始了新型高强度高成形性钢种的开发与使用优化研究。超轻钢车体计
划(UL 2SAB )采用的主要钢种为高强钢(HSS )或超高强钢(U HSS )。图1是高锰钢，如:Fe 2Mn 2Al 2Si 系TWIP
钢和阿赛洛的X 2IP 与现有的汽车用钢如低碳钢、IF 钢、高强低合金钢、烘烤硬化钢、双相钢及TRIP
(Transformation Induced Plastic )钢的性能比较。可见，高锰钢具有现有其它汽车用钢无法媲美的高强度、高塑性及优异的韧性。这些优势使高锰钢在汽车减重、增加安全性能方面都具有很高的潜力。
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图1 高锰钢与现有汽车用钢板的力学性能
Fig.1 Mechanical properties of high Mn steel and in2use automotive steels
2 典型成分体系
高强塑性高锰钢按其成分体系可分为Fe2Mn2Al2 Si系、以及Fe2Mn2C系两类。区别在于前者含有较高的Al、Si元素，而C含量较低；后者利用C作为稳定奥氏体相的主要合金元素。
2.1 Fe2Mn2Al2Si系高锰钢
十一五Gr ssel等[2,3]系统研究了Fe2Mn2Al2Si系高锰钢的组织、力学性能、以及变形机制。发现随着Mn元素在15%～30%之间变化时,Fe2Mn2Al2Si系高锰钢呈现出不同的加工硬化特征。Fe215Mn2Al2Si、Fe2 20Mn2Al2Si硬化机制主要为TRIP效应；而Fe225Mn2 Al2Si、Fe230Mn2Al2Si硬化机制主要为TWIP效应。
图2为典型高锰钢的应力2应变曲线以及形变组织与机理模型。高锰钢2TRIP在变形过程中亚稳奥氏体形成应变诱导马氏体而同时提高强韧性，其抗拉强度可达到1100M Pa，伸长率55%；高锰钢2TWIP在变形过程中因稳定奥氏体相中形成应变诱导孪晶而提高塑性，一般具有中等强度(屈服强度280M Pa、抗拉强度为650M Pa)和很高的伸长率(80%～90%)；另一个主要特点是，高锰钢2TWIP没有低温脆性转变温度，即使在-150℃时，其伸长率仍可以达到75%。对用于汽车车体和结构框架的深冲钢而言，衡量撞击行为的主要参数是与温度有关的Charpy冲击功和单位体积的撞击吸收能(ESIA E)，实验证明，高锰钢2TWIP 的ESIA E为普通深冲钢的2～3倍。 图2 典型Fe2Mn2Al2Si系高锰钢的应力2应变曲线以及形变机理模型
Fig.2 Representative stress2strain curve and deformation mechanisms of Fe2Mn2Al2Si high Mn steels 国内，北京科技大学、上海交通大学对Fe2Mn2Al2 Si系高锰钢(TWIP效应)的成分、组织以及性能进行了研究。表1为国内Fe2Mn2Al2Si系高锰钢成分以及室温拉伸性能。
表1 Fe2Mn2Al2Si系高锰钢成分与室温力学性能
Tab.1 Composition and ambient mechanical properties of Fe2Mn2Al2Si high Mn steels
研究单位
化学成分,w(%)
Mn Al Si C其它
室温力学性能
R m/MPa A(%)
北京科技大学[4,5]24.01 2.52 2.920.01750.01Ti715.0661.17
25.03 2.98 2.960.0200.06RE72952.63
上海交通大学[6]23.33 1.85 2.100.00810.017Nb67883 21.65 1.80 1.950.010/71061
2.2 Fe2Mn2C系高锰钢
由于Fe2Mn2Si2Al系高锰钢中Al元素含量较高，其凝固过程与传统汽车用钢，如IF钢、低碳钢等，存在很大的差异。在板坯连铸或模铸过程中,Al通常会在凝固时在晶界处发生偏析，形成熔点约为1170℃的低熔点金属间化合物(Fe2Al5)，导致铸态组织的缺陷，热连轧时易开裂，材料的热塑性很差；另外,Al会将钢液中的SiO2和MnO还原，增大钢液的粘度，破坏铸坯的表面和内部质量。因此，目前业界认为Fe2Mn2 Si2Al系高锰钢的工业大规模制造存在很大困难，多作为科学问题来研究，尚无工程应用推广先例。
阿塞洛米塔尔(Arcelor&Mittal)钢铁公司与蒂森2克虏伯(Tyhssen Krupp)钢铁公司作为全球汽车用钢的主要供应商，正在合作进行Fe2Mn2C高锰钢的开发，具体包括高锰钢的冶炼方法、组织结构、加工处理等，目前已开发出Fe2Mn2C高锰钢典型成分为:0.6C,
・
5
4
・
23Mn。室温性能：屈服强度599MPa，抗拉强度1162MPa，均匀延伸率达52.8%，并且具有非常优良的深冲性能、成型性能以及耐冲击性能。典型的Fe2Mn2C 系TWIP钢一般含有0.05%～1.0%的Si,0～0.008%的Al,15%～30%的Mn,0.4%～0.7%的C。表2为几种典型的Fe2Mn2C系高锰钢成分以及室温力学性能。
表2 Fe2Mn2C系高锰钢成分与室温力学性能
Tab.2 Composition and ambient mechanical properties of Fe2Mn2C high Mn steels
研究者
化学成分w(%)
Mn C其它
室温力学性能
R m/MPa A(%)
Arcelor,T KS20.00.4～0.7/>1000>50 L.Bracke[7]16.20.25 5.6Cr,0.14Si,0.114N84831 A.S.Hamada[8]25.80.140.02Al,0.4Si81050
李文和案 对Fe2Mn2C系TWIP钢的研究主要集中在合金元素对材料热加工性能的影响规律。L Bracke等[7]在成分为Fe218Mn20.25C中加入了适量的Cr和N，发现由于N和Cr的添加都会增加材料的堆垛层错能，当N含量大于0.22%时会进一步提高材料的塑性，还可以使材料获得更为理想的加工硬化率;A S Hamada等[8～10]研究了Al元素的添加对于Fe2Mn2C 系HMS的高温变形及再结晶行为的影响，发现随着温度的降低Al元素的添加会提高材料的延展性。
3 变形强化机制
高锰钢变形曲线中主要包括弹性变形、均匀塑性变形两个阶段。材料屈服后强度随应变的增加快速上升，加工硬化率很高，同时维持较长段的均匀变形。材料达到最高强度后马上就发生了断裂，基本没有颈缩的产生，材料的潜能得以充分发挥。高强塑性高锰钢这种均匀变形特征是由其变形强化机制决定的。
高锰钢变形机制根据堆垛层错能(SFE)和相变的吉布斯自由能(ΔG)不同，可分为:①马氏体相变，应变诱发相变,TRIP效应;②应变诱发孪晶,TWIP效应。
G.Frommeyer等[3]研究表明，稳定奥氏体中马氏体相变的ΔG=-220J/mol、SFE≈25MJ・m-2时，产生形变诱发马氏体；而当ΔG≈110～250J・mol-1、SFE≈25MJ・m-2时，发生孪晶诱发塑性。Allain 等[10～12]构建了相关的模型对这一结果进行了验证，同时发现在一定范围内增大SFE，会导致变形机
制由形变诱发马氏体相变向形变诱发孪晶转变。形变诱发马氏体在SFE低于18MJ・m-2时产生，而形变孪晶在12MJ・m-2≤SFE≤35MJ・m-2时形成。这些结果对于新型高强塑性高锰钢的成分设计具有指导意义。
TRIP效应的形成机制、变形过程的研究非常充分，在此不赘述。以下对高锰钢的TWIP效应进行分析，其强化机制可以分为以下几个方面。
(1)“低堆垛层错能”强化机制。由于室温下高锰钢的组织为面心立方结构的奥氏体，且奥氏体中的堆垛层错能很低。面心立方中能量最低的全位错是处在{111}面上的单位位错，该位错在滑移过程中很容易形成扩展位错。形成的不全位错间斥力远大于它们之间的吸引力(层错的表面张力，即层错能)。不全位错被互相分离难以束集，从而无法进行交滑移。不全位错只能被限制在原滑移平面内运动，导致了高锰钢具有极高的加工硬化率，不断积蓄的能量也进一步促进了形变孪晶的产生。
(2)“动态霍尔2佩奇”机制。高锰钢较低的SFE 促进了形变孪晶形成。尽管孪晶本身对材料应变的贡献很有限，孪晶的形成会逐渐减少位错滑移的距离，促进位错的积聚和储存，起到类似于晶界的作用。由于形变孪晶的产生量是逐渐增加的，不断出现的孪晶将晶粒细化起到了一个“动态”的霍尔2佩奇效应。
(3)Mn2C原子团的强化作用。在高强塑性高锰钢(特别是Fe2Mn2C系高锰钢)中存在着大量的间隙固溶
细胞骨架的C原子。由于C原子与Mn原子间的交互作用要大于Fe原子与C原子间的交互作用，所以很容易在晶体内形成局部的短程有序结构。这种短程有序结构中C与Mn原子的位置不是随即分布的，而是有极高的概率使得C原子占据面心立方结构的八面体间隙位置,Mn原子则很容易占据与C原子最接近的六个面心位置[13,14]。位错滑移过这种短程有序结构时必定会打乱短程有序，改变Mn、C原子的位置,Mn2 C原子团簇的形成使晶格对位错的滑移产生更大的抗力，起到强化作用。
(4)孪晶形成对推迟“缩颈”的作用。高锰钢中的孪晶在晶体中是不同区域中逐渐形成的。在高锰钢发生塑性变形时，高应变区域将首先形成孪晶，孪晶的出现阻止了高应变区域内位错的进一步滑移，促使其它应变较低区通过滑移进行形变直至形成孪晶，由此导致试样的均匀形变，显著推迟缩颈的产生。
《铸造技术》03/2009梁高飞等：高强塑性高锰钢的研究进展
4 制造工艺与关键技术
高锰钢中Mn、C、Al等合金元素含量较高，对冶炼、连铸、以及热轧工艺提出了非常苛刻的要求。①冶炼过程中,Fe2Mn2Al2Si系高锰钢中Al元素烧损严重，成分难以精确控制；另外,Mn、C与覆盖剂容易发生反应。②连铸过程中,Mn元素的微观偏析导致弯月面处的凝固坯壳强度偏低，容易漏钢；随着温度下降，高锰钢强度快速上升，导致拉矫过程困难。③热轧过程中，在隧道炉加热时晶界非常容易氧化，并且钢中κ相碳化物也带来热轧的困难，高Mn、C含量容易使热轧板表面形成凹坑缺陷。可见，
利用连铸2热轧传统流程生产高锰钢存在许多技术瓶颈。
薄带连铸技术具有短流程、近终型的特点，非常适合制造高强塑性难轧材料；并且，薄带连铸技术快速凝固的特征，可以有效降低高合金钢中元素的偏析，提高材料的成型性能。可见，利用薄带连铸技术制造高锰钢具有流程上的优势。各大钢铁集团在尝试利用该技术生产高锰钢。最近，蒂森2克虏伯(Thyssen Krupp)钢铁公司采用带式的薄带连铸技术[15]，尝试生产出Fe2Mn2Al2Si系高锰钢薄带。韩国浦项制铁(POSCO)也在尝试用薄带连铸流程进行Fe2Mn2C系高锰钢的生产[16]。
5 结语
目前，高锰钢研究主要集中在成分设计、制造工艺、力学性能、以及变形机制与模型等领域。尤其是随着薄带连铸流程的日益成熟，这种快速凝固技术对高锰钢的开发提供了更大的空间。
(1)合金元素的高固溶程度。一些在常规连铸中的难固溶元素、甚至有害元素，在高锰钢薄带中有非常高的固溶度，可以稳定奥氏体、强化基体，提高材料的综合力学性能。
(2)针对高锰钢固有的不耐腐蚀、不耐氧化的特点，结合薄带连铸高固溶度的优势，进行合适的成分设计。对新的高锰钢成分体系，需要深入进行相变过程以及热塑性性能的基础研究，为生产控制参数选择提供参考，并开发合适的薄带连铸工艺流程。
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