0. 引言

中錳鋼是在高錳鋼的基礎(chǔ)上通過(guò)適當(dāng)降低錳含量而研制的第三代高強(qiáng)鋼[1],在中低沖擊載荷作用下即可發(fā)生變形誘發(fā)馬氏體相變,具有良好的韌性和較高的強(qiáng)度[2],其耐磨性能優(yōu)于Hardox系列耐磨鋼和高錳鋼[3-4]。我國(guó)對(duì)中錳鋼的研究開(kāi)始于20世紀(jì)80年代,主要研究機(jī)構(gòu)有東北大學(xué)、吉林工業(yè)大學(xué)、北京科技大學(xué)、武漢科技大學(xué)、鋼鐵研究總院等。經(jīng)過(guò)30多a的發(fā)展,我國(guó)生產(chǎn)的中錳鋼性能大幅提高,同時(shí)研究者設(shè)計(jì)并制備出了兼具超高強(qiáng)度和良好韌性的中錳鋼,技術(shù)領(lǐng)先于國(guó)外[5]。中錳鋼以鐵為基礎(chǔ)元素,碳為固溶元素,錳和硅為主要合金元素,其合金系主要有Fe-C-Mn-Si系、Fe-C-Mn-Si-Cr系和Fe-C-Mn-Si-Al系等,其中Fe-C-Mn-Si-Al系中錳鋼常作為高強(qiáng)汽車板帶鋼材料,而Fe-C-Mn-Si-Cr系中錳鋼則多應(yīng)用在礦山機(jī)械耐磨件上。為了給中錳鋼的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用提供參考,作者對(duì)其化學(xué)成分、顯微組織、熱處理工藝、力學(xué)性能和耐磨性能等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)與分析,并在此基礎(chǔ)上,結(jié)合現(xiàn)有試驗(yàn)與應(yīng)用情況展望了今后中錳鋼的研究方向。

1. 化學(xué)成分

中錳鋼的主要元素為鐵、碳、錳、硅。碳和錳是奧氏體穩(wěn)定化元素,錳元素在熱處理過(guò)程中向奧氏體中富集,使奧氏體在室溫下不發(fā)生馬氏體相變,硅可以抑制碳化物形成,有利于碳元素向奧氏體擴(kuò)散。表1為總結(jié)得到的1988—2023年中錳鋼的化學(xué)成分變化,可以看出,2010年后中錳鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)由最初的0.8%~1.2%降低至0.4%以下,錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)由最初的6%左右擴(kuò)大到2%~10%之間。碳、錳含量對(duì)中錳鋼的力學(xué)性能影響顯著：過(guò)多的碳會(huì)以碳化物形式析出,降低鋼的強(qiáng)度[6]；而過(guò)少的碳不能發(fā)揮出穩(wěn)定奧氏體的作用[7]。錳含量提高有利于奧氏體的穩(wěn)定[8]。中錳鋼中添加的元素種類很多,主要有鉬、氮、釩、銅、鈦、鎳、鈮以及稀土元素（RE）等。通過(guò)改變中錳鋼的主要元素含量并添加其他元素,可以大幅提高其力學(xué)性能。在提高錳含量同時(shí)添加銅元素后,中錳鋼的強(qiáng)塑積提高[9],同時(shí)添加鉬和釩元素后,中錳鋼的屈服強(qiáng)度明顯提高[10]。降低錳含量同時(shí)添加鈦和鉬元素后,因鈦和鉬可與碳形成碳化物優(yōu)先析出而成為奧氏體結(jié)晶核心,起到細(xì)化晶粒的作用,中錳鋼的抗拉強(qiáng)度大幅提高[11]；同時(shí)添加硅、鉻、鋁和鉬元素后,中錳鋼的抗拉強(qiáng)度超過(guò)2 200 MPa[12]。在降低硅含量同時(shí)添加鋁、釩和對(duì)位錯(cuò)有釘扎作用的鈮元素,可在保持高強(qiáng)度的前提下,大幅提高斷后伸長(zhǎng)率,從而獲得綜合力學(xué)性能較好的中錳鋼[11,13]。稀土元素會(huì)影響碳、錳元素的配分行為、逆相變奧氏體的含量及其穩(wěn)定性,同時(shí)具有細(xì)化晶粒、凈化鋼液以及減少脆性?shī)A雜物的作用[14-16]。添加稀土元素可使Mn6中錳鋼的組織和性能得到綜合改善,其耐磨性比不添加稀土元素的Mn6中錳鋼提高約20％[17]。鎢元素可以改變碳在奧氏體中的分布狀態(tài),使球狀碳化物彌散分布于奧氏體晶粒內(nèi)部,添加鎢元素后中錳鋼的沖擊吸收能量比不添加鎢元素時(shí)提高30%~50％,抗拉強(qiáng)度提高約10％,耐磨性也顯著提高[46]。中錳鋼中同時(shí)加入稀土元素、鈮和釩元素后,由于稀土元素的細(xì)化晶粒作用、鈮和氮的固溶強(qiáng)化和阻礙位錯(cuò)作用,中錳鋼的抗拉強(qiáng)度和沖擊吸收能量分別提高43%和44%[47]。