北科大《Scripta》：抗拉1575MPa、延伸率28.4%高性能中锰钢

导读：中锰钢具有超高屈服强度1421 MPa、抗拉强度1575 MPa，而且通过简单的两级温轧，无需退火就实现了28.4%的总伸长率。其屈服强度的提高主要归因于层状双相微观结构中广泛的强化缺陷，包括铁氧体中的高密度位错，奥氏体中的纳米级VC沉淀物，堆垛层错和Lomer-Cottrell（L-C）锁（22 Vol.%）。此外，异常增强的应变硬化能力受益于L-C修饰的堆垛层错，通过先进的原位加热HRTEM和APT精确阐明分析其稳定性和C偏析特性。这种特殊的强化和塑化作用由简单的两级温热引起的堆垛断层轧制可有效突破超强介质强度与塑性之间的权衡锰钢。

中锰钢作为第三代最先进高强度钢之一，由于高强度和可塑性等特质，还有较低的生产成本，已受到广泛研究。中锰钢的优异机械性能主要取决于转化中的可塑性（TRIP）效应和残余奥氏体的孪生诱导塑性（TWIP）效应，一般通过临界间退火（IA）获得。然而，TWIP/TRIP中等锰钢的屈服强度相对较低，大约550–850 MPa，这可能会降低车辆结构部件的抗侵蚀性。通过加入Ti、V、Nb、Cu等多种合金元素，可以有效地提高中锰钢的屈服强度。而合金化方法不仅增加了制造成本，而且使冶炼和铸造变得困难。此外，这些复杂严格的加工路线尝试挑战了大规模应用锰钢，关于如何以超高屈服强度和低成本实现更好的塑性，即通过简单和传统的制造工艺实现强度和塑性的平衡，引起了广泛关注。

北京科技大学宋仁伯教授团队提出了一种两阶段策略中无需任何退火的温轧实现锰钢屈服强度的优异组合MPa，抗拉强度为1575 MPa，总伸长率为28.4%，优异的应变硬化能力。此外，关键作用双相显微组织高密度强化缺陷，包括位错（用于铁素体和奥氏体）、纳米VC沉淀物（用于奥氏体）、堆垛断层（用于奥氏体）和L-C锁（用于奥氏体），以超高的屈服强度得到了强调。在此外，特别关注的重点是对C改性堆垛故障网络实现优异的应变硬化能力，通过高密度缺陷有效促进有限的TRIP和TWIP效应。

相关研究以“C-modified stacking-fault networks inducing the excellent strengthplasticity combinations of medium manganese steel by simple two-stage warm rolling without annealing”为题发表在Scripta Materialia上。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646223000970

图1所示。（a）两级温轧工艺，说明组织特征;（b） 两级温轧后的三维显微组织由EBSD提供;（c）三维GND分布图;（d）层状双相微观结构的高炉透射电镜图像。插图是高密度位错的铁氧体的HRTEM图像;（e）具有高密度堆垛断层的奥氏体的透射电镜图像;（f）奥氏体堆垛断层和L-C锁的HRTEM图；（g）HRTEM图像纳米VC沉淀物和堆积断层;（h）3D-APT揭示的奥氏体和铁素体之间近原子水平的化学元素分布;（i）和（j）所有元素的铁素体/奥氏体和奥氏体/纳米沉淀物界面的浓度分布分别。注意，这里和其他地方的浓度都是原子百分比。

图2所示，两级温轧后所研究样品的室温拉伸性能以及与以往文献的比较。（a） 工程应力-应变曲线。插图表显示了相应的结果;（b）真实的应力和应变硬化速率。真应力-应变曲线和应变硬化速率曲线;（c），（d）两级温轧钢的总拉伸能和均匀断裂伸长率与屈服强度高于1250 MPa的其他高性能钢的数据。

图3，（a）-（d） “TWR”样品在150°C至200°C加热过程中堆积断层（SFs）的原位HRTEM图像; (a1) (a2) FFT模式的（a）中的蓝色和橙色框，对应于奥氏体基体和异质结构以及SF;（e）-（g） 异质结构的IFFT图像;（h）相边界附近的SF;（h1）（h2）中蓝色和橙色框的FFT模式;（i）-（n）200°C至250°C堆垛断层的原位HRTEM图像;（o）-（r）400°C—450°C宏观堆垛断层的原位HRTEM图像，显示了堆垛断层的消失过程。

图4，（a） 锰原子图，相边界用10 at.%Mn等浓度表面标记;（b）-（d） 重建的原子图可视化2.5分别为3.5%和5 %C等浓度表面;（e）VC参与的选定兴趣区域由5 at.%C等浓度表面可视化;（f）C原子的二维投影组成图，说明C原子在参与中的分布;（g）、（i）、（c）中A和B部分的放大倍数，分别对应于层状和“V形”C偏析区;（h） 沿气瓶的浓度分布（g）;（j） 二维投影构成图C原子，对应于（i）;（k）、（l）、（m）奥氏体原子排列特性、堆垛断层和L-C锁;（k1）， （l1），（m1）相应的GPA分析结果，说明了晶格畸变的程度。

综上所述，我们提出了一种两级温轧的方法，使得锰钢实现强度和可塑性共存的组合，屈服强度可以达到1421 MPa，总伸长率28.4%，超高抗拉强度达1575MPa，具有优异的应变硬化能力。超高屈服强度来自双相层状微结构中的高密度缺失。在TRIP和TWIP效果有限的情况下，第二次可以看见应变硬化能力改善。这种两级温轧的方法，中间没有退火步骤，完全符合现有生产工艺条件，并可实现锰钢超高强度和优良塑性的良好结合。同时，该过程也可以应用于其他合金来实现性能上的突破。