Mn-Al系第三代汽车用中锰钢的研究进展

王宇辰，冯运莉，郭雪霏

(华北理工大学冶金与能源学院, 河北唐山063210)

摘  要：随着国内重型汽车工业的快速发展以及节约资源和环保意识的加强，用户对减轻汽车重量、降低油耗、提高汽车结构件强度以及安全性能等提出了更高的要求。轻量化已经成为了汽车用钢的发展方向，汽车用钢的发展历程均遵循该要求。本文综述了第三代汽车用Mn-Al系中锰钢研究现状，介绍了目前Mn-Al系中锰钢化学成分，分析不同合金元素对Mn-Al系中锰钢的组织与性能的影响，预测其在未来汽车领域的应用。

关键词：Mn-Al系中锰钢；TRIP效应；研究进展

Research progress of Mn-Al medium manganese steel for third-generation automotive steel

WANG Yuchen, FENG Yunli, GUO Xuefei

(College of Metallurgy and Energy, North China University of Science and Technology, Tangshan 063210, China)

Abstract: With the rapid development of the domestic heavy-duty auto industry and the enhancement of resource conservation and environmental protection awareness, users have put forward higher requirements for lightening the weight of vehicles, reducing fuel consumption, and increasing the strength and safety performance of automotive structural parts. Lightweight has become the development direction of automotive steel, and the development of automotive steel has followed this requirement. This paper summarizes the research status of manganese steels in Mn-Al medium manganese steel for third-generation automobiles steel, introduces the chemical compositions of manganese steels in Mn-Al medium manganese steel, and analyzes the effects of different alloying elements on the microstructure and properties in Mn-Al medium manganese steel. Predict its application in the future automotive field.

Key words: Mn-Al system manganese steel; TRIP effect; research progress

汽车工业是现代化发展的支柱产业，在经济发展、科技进步方面产生了深厚影响，在现代社会发展进程中处于一个重要位置，我国也非常看重汽车工业发展的推进工作。随着用户不断提高对汽车防腐、减重、防噪声等方面的要求，为了减少油气消耗，节约能源，保护环境，汽车应朝着轻量化方向发展，这也就对汽车用钢提出了更高的要求。现代汽车工业的主要是朝着节能减排和增强安全性的方向发展，研究数据显示^[1，2]，若整个汽车质量减少10%，燃料的消耗就会降低0.6%~1.0%，百公里油耗能减少0.3~0.6 L、排放量可以降低4%~6%，油耗每减少1 L，就能够减少2.45 kg CO₂的排放，也可以改善汽车尾气污染环境的情况。实现这一目的的重要手段就是利用先进高强度钢（Advanced high strength steel，AHSS）来实现车身的轻量化。

第一代 AHSS的强塑积约为10~20 GPa·%，以双相钢（DP钢）、相变诱发塑性钢（TRIP钢）、无间隙原子钢（高强IF钢）、高强度低合金钢和马氏体钢等为代表，其特征在于合金含量少，主要是以铁素体为主的多相组织；第二代AHSS主要以孪晶诱发塑性钢（TWIP钢）、奥氏体不锈钢（AUST.SS）和轻质诱发塑性钢（L-IP）等强塑积可达50~70 GPa·%的钢为代表， 比第一代先进高强钢强塑积提高近5倍，但由于钢中 Mn的质量分数高达20%，并加入了大量的Si､ Al等合金元素， 导致其成本过高，同时存在冶炼连铸工艺复杂、冶金生产困难及可涂镀性能差等缺点^[3]。美国学者Krupitzer与Heimbuch最先将具有高强度高塑性的第三代汽车钢理念作为新型汽车钢的未来研究方向^[4]。第三代先进高强汽车用钢主要是利用组织的调控，通过TWIP效应、TRIP效应等来改善强塑积和成形性能。第三代汽车用钢主要是添加了锰和碳，锰的质量分数控制在4%~12%，碳的质量分数最大为0.6%，目的是为了能让奥氏体在室温下稳定存在，通常控制奥氏体体积分数在20%~40%。第三代 AHSS通过逆相变退火工艺获得的残余奥氏体使得钢强塑积为30~40 GPa·%， 既降低了生产成本又满足了汽车用钢的性能要求，竞争优势明显且发展前景广阔。 国外的科罗拉多大学、浦项科技大学和国内的钢铁研究总院、北科大等都对以中锰钢为主要代表的第三代 AHSS汽车用钢的化学成分、组织、力学性能和生产工艺等进行了比较系统的研究，并获得了相应的进展^[5-8]。近年来，中锰TRIP钢作为性能优异的第3代汽车钢，被许多国内外学者广泛关注^[9-11]。

1 Mn-Al系中锰钢的成分设计分析

表1给出的是国内外学者近年来研发的第三代汽车用Mn-Al系中锰钢的主要化学成分^[12-19]。

表1　不同 Mn-Al系中锰钢的主要成分

Table 1 Main chemical compositions of different Mn-Al medium manganese steels

经统计，目前研究利用的中锰钢中含碳量是0.1% ~0.6%，Mn的含量是4 %~12%。还有一些人在其中加入了Si､ Al，并基本控制它们的质量分数在1.5%~3.0%之内，加入硅和铝主要是为了在逆相变退火时提高残余奥氏体的稳定性，而且不会影响到钢的涂镀性能。 在此基础上，还有少数学者添加了钼和钒，目的是提高晶界强度和细化基体晶粒尺寸，从而提高强度。

碳是中锰钢中主要添加的合金元素，是钢中的固溶强化元素，可以使奥氏体更稳定。C的质量分数每增加1%，奥氏体的开始转变温度 M_s降低320 ℃^[20]。 总体来看，残奥中含碳量增加，会相应的提高其稳定性，使其在后期形变过程中更容易发生TRIP效应， 进而提高钢的强塑积，改善加工硬化性能。 但是要注意，碳的质量分数过高会在钢中形成一定量的C､ Mn化合物，不利于形成残余奥氏体，使塑性下降^[21]，还可能会使得浇铸时产生成分偏析缺陷，也会导致焊接性能变差。

锰元素能使奥氏体相区扩大，Ac₁和Ac₃温度降低，B_s、M_s点降低。通过Mn元素在奥氏体中富集，可以很好的稳定残余奥氏体。锰会以置换固溶体的形式存在于钢中，起到固溶强化的作用，其在钢中缓慢的扩散，可以阻碍热加工过程中晶粒粗化。在室温情况下，锰含量越高，奥氏体稳定性越好。实验结果表明^[22-23]，当碳含量是0.2%时，随着钢中Mn的含量从5%增加到12%，会降低钢的屈服强度，改善抗拉强度，降低总延伸率，强塑积略有提高。然而，Mn过多会使奥氏体过于稳定，不利于发生TRIP效应，同时Mn含量的升高会加重其偏析，在扩散退火时导致成分均匀化难以进行。

铝元素会影响相变动力，但不会影响钢的表面质量。铝主要影响逆相变退火过程中基体里碳、锰的分布，也影响残奥的层位错能和性能。铝是一种非碳化物形成元素，通过提高碳化物的成核温度可以防止其析出。Al是很好的稳定铁素体元素，可以促使C元素向奥氏体中扩散，增加钢中奥氏体含量，使其变得更稳定，同时还可以细化晶粒。研究表明，铝合金化能使钢的热处理时间明显缩短，加速钢的再结晶过程。但是要注意Al含量的增加会提高马氏体开始转变温度M_s，而这又会降低奥氏体的稳定性，且钢中的Al含量过高堵塞连铸过程中的水口，影响正常生产。

硅既是很好的铁素体形成元素，也属于非碳化物形成元素，能明显增强铁素体中碳原子的活度，促进残奥形成并提高其稳定性。在等温处理过程中，抑制碳化物的形成，提高奥氏体中的C含量，提高奥氏体的稳定性，使残余奥氏体含量增多，同时也能促进铁素体的形成。Si能够很好地减少钢中条带状组织的生成^[24]。但是，钢中硅过多会使表面质量降低，也会使得铸造、焊接、表面涂层和热镀锌能力变差。

铌、钒、钛等微合金化元素的加入可以阻碍退火时的再结晶进程，细化基体晶粒，以碳氮化合物形式析出时还能进一步提高钢的强度。微合金化元素的加入会使得中锰钢获得更加优良的力学性能^[25]，目前已知，铌合金化能够改善锰、铝元素的宏观偏析，其他合金元素对组织与性能产生的影响的研究还较少，有待进行进一步的科学试验研究。

2   Mn-Al系中锰钢的强韧化机制

金属发生塑性变形的主要方式为滑移和孪生，奥氏体钢的塑性变形机制可以由堆垛层错能直接反映，层错能较低时是以相变为主，较高时是以滑移为主，当层错能介于两者之间时，主要通过孪生的方式使其塑性变形。理论上，金属的主要强化方式有固溶强化（置换强化和间隙强化）、细晶强化、相变强化、位错强化以及析出强化等。

中锰钢主要是利用奥氏体逆转变来得到大量的超细晶铁素体组织和残余奥氏体，依靠残余奥氏体的TRIP效应，进而提高中锰钢的强度并改善塑性。在变形前期主要是利用稳定的残奥来提供持续TRIP效应从而使塑性升高；到了形变后期，超细晶铁素体和马氏体会发生塑性变形，主要的强化方式是马氏体强化和铁素体中的位错强化。

Mn-Al系中锰钢的强韧化机制是利用奥氏体组织在临界区退火时发生的逆转变以及在其临界区C､Mn原子的富集来得到大量的残余奥氏体组织，因此想要提高室温下残余奥氏体的含量和稳定性就必须要调控好整个奥氏体稳定性的过程。随着Al含量达到一定值，中锰钢的冷（热）轧组织会是δ铁素体、α铁素体和一定量的 M₃C 型或κ型碳化物的混合组织，从而导致难以完全奥氏体化。随着 Mn含量的提高，在温降过程中的高温奥氏体可直接转变为马氏体，铸态组织中粗大的δ铁素体会使得碳和锰分布不均，会对原始组织再进行一次配分。热处理时，在热变形条件下位错会产生动态回复并生成亚晶，间接促使了 Mn的扩散，使奥氏体稳定性提高。

3   Mn-Al系中锰钢的显微组织与力学性能

目前，主要还是利用静态单向拉伸实验来研究中锰钢的相关性能。从之前的研究可知，室温下的残余奥氏体含量及其稳定性很大程度上影响了中锰钢的强度和塑性。表2列举了部分Mn-Al系中锰钢的合金成分、残余奥氏体的含量及室温力学性能。一般来说，室温下残余奥氏体体积分数越高，其强度越高和塑性越好。

表2 Mn-Al系中锰钢的力学性能

Table 2 Mechanical properties of Mn-Al medium manganese steel

实验表明，钢中残奥含量与钢的化学成分、加工工艺和热处理机制密切相关；奥氏体晶粒尺寸和形貌特征、C和Mn的聚集程度和位错密度、晶界区各相的分布等都会影响残余奥氏体的含量和稳定性。

以Fe-0.35C-3.5Mn-5.8Al冷轧钢为例，冷轧板经880℃､50s临界退火和400℃､3min奥氏体等温淬火后的微观组织主要为δ铁素体､α铁素体和残奥组织。通过残余奥氏体提供TRIP效应来增强钢板的加工硬化，从而提高残余奥氏体的含量和稳定性，有利于退火钢板的强度和塑性变好。

4   Mn-Al系中锰钢的发展现状与展望

现在新型中锰钢轧制工艺和退火工艺还处在初步研究阶段。如何利用逆相变退火工艺来调控基体晶粒度、残奥含量和稳定性及位错密度还需要进一步的实验研究，晶粒形貌的演变、合金元素的扩散行为、残奥含量及稳定性与工艺之间的联系等问题丞待解决。在中锰钢动态回复和再结晶方向的深入了解和实验报道也不多。

韩国 Park等^[13]把Fe-8.1Mn-5.3Al中锰钢做了热轧、冷轧和退火处理，处理后所得的低密度高强度高韧性钢的力学性能为抗拉强度大于900MPa、总伸长率大于50%。我国东北大学Cai等人^[19]和美国路易斯安那大学Misra等对Fe-0.2 C-11Mn-4 Al热轧低碳钢板进行了优化淬火和回火处理，最终得到了一种抗拉强度为1082MPa，延伸率为35%且具有特殊锯齿流变特性的高强韧钢。Cai等^[19]又对成分为Fe-0.2 C-8 Mn-4 Al的热轧低碳钢进行了大体一致的淬火和回火处理，最终抗拉强度为800~1000MPa，伸长率为30%~40%，且具有5%~8%的减重潜力。

目前，有关于第三代汽车用钢的冶炼与连铸、加工、成型和服役性能的研究都在持续进行中。从已经报道的研究结果中可知，中锰钢的焊接、疲劳和抗延迟断裂性能都较好。从之前所做的研究可以看出，中锰钢的高强塑积和很高的加工硬化率使其能量吸收性良好，不仅在轻量化车身设计方面具有明显优势，还能应用于抗震钢筋和高品质棒材的开发。

近年来国内外对中锰钢的报道基本上还处在实验室研究的水平，还较难进行工业化投产。Mn-Al系第3代高强汽车用钢，强度、韧性和应变硬化能力都不错，而且其良好的能量吸收特性使其在汽车、船舶、工程结构以及军工领域都有很大的发展优势，其将来可能的发展和应用还在持续探索中，前景广阔。

5   结语

现在资源短缺、环境问题日益严峻，新型Mn-Al系汽车用中锰钢具有的低密度和高强塑积等优点使得其市场竞争优势很大，但是不容忽略的是其在研究开发和工业化推广方面还存在一些问题需要进一步的研究和解决：例如对于变形机制还没有完全明确，从本质上还不能系统地解释钢的应变硬化机制，仍要做进一步探究；除常见元素外的其他合金元素对中锰钢性能的影响有待于进一步研究；在工业化开发时，还需要加大对中锰系先进汽车用钢的研究投入。综合上述，Mn-Al系低密度高强度高韧性钢的发展空间巨大，需要加快工业调试、加工和应用的脚步，从而推动汽车产业的快速进步。

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51674123，51474092);河北省自然科学基金资助项目(E2017209237)

作者简介：王宇辰（1993-），女，河北张家口人，硕士研究生，主要研究方向为金属材料及加工工程；电话：15133379278；E-mail：1179978787@qq.com

通讯作者简介：冯运莉（1966-），女，河北唐山人，教授，博士，主要研究方向为金属材料及加工工程；电话：13803328418；E-mail：tsfengyl@163.com

参考文献

[1]唐荻，米振莉，陈雨来.国外新型汽车用钢的技术要求及研究开发现状[J]．钢铁,2005，40(6)：1

[2]康永林.汽车轻量化先进高强钢与节能减排[J]．钢铁,2008，43(6)：1

[3]江海涛，唐荻，米振莉.汽车用先进高强度钢的开发及应用进展[J]．钢铁研究学报,2007，19(8)：1

[4]David K. Matlock etc.Recent Developments In Advanced  High  Strength  Sheet  Steels  For Automotive Applications.JESTECH,  2012(1).

[5]Lee S J，Lee S，Decooman B C．Mn partitioning during the intercritical annealing of ultra-fine-grained　6% Mn transformation-induced　plasticity steel [J]．Scripta Materialia，2011，64(7)：649．

[6]Grajcar A，Kalinowska-ozgowicz E，Opiela M，et al．Effect of  Mn and Nb on the macro-and microsegregation in high-Mn high-Al content TRIP steel [J]．ARCHIVES OF Materials Science and Engineering，