導讀：由于在700-950℃時熱延展性下降，橫向開裂是TWIP鋼連鑄過程中的主要問題。本研究通過精煉鑄態組織來提高18.1Mn-0.68C-1.5Al (wt.%) TWIP鋼的熱延性。采用將含MnS的母合金直接添加到熔體中來實施孕育處理。由于MnS在熔體中不溶解，它們在奧氏體成核過程中充當異相形核位點。因此，經MnS孕育處理的鋼相互比于參考鋼具有更細的晶粒尺寸。此外，MnS顆粒具有多邊形形狀，隨機分布，并與奧氏體具有立方對立方取向關系；兩個慣析面都平行于{111}。與之前報道的TWIP鋼相比，MnS孕育的TWIP鋼的熱延展性有顯著提高。我們的發現有助于使TWIP 鋼的制造成為可能，從而使 TWIP 鋼能夠廣泛用于各種應用，尤其是汽車領域。

孿晶誘導塑性 (TWIP) 鋼以出色的高強度-延展性組合和高能量吸收能力而聞名，使其成為汽車應用領域極具吸引力的材料。然而，由于合金加工成本高和制造相關問題，其應用仍不廣泛。尤其是橫向裂紋被報道為一個在TWIP鋼生產中重要問題。連鑄過程中橫向開裂的概率可以通過熱延性來預測，熱延性是通過高溫拉伸試驗獲得的斷面收縮率(RA)來評估的。許多TWIP鋼在700-950℃變形時，熱延性下降。為了成功的鑄造，RA大于40%是非常必要的。

研究人員做了一些努力來闡明影響 TWIP 鋼的熱延展性的機制。由于 TWIP 鋼含有單相 γ，晶界滑動會導致鋼的斷裂。在熱拉伸試驗期間，γ晶界處的高應力集中促進了微裂紋的形核，這些裂紋沿著γ晶界逐漸生長并合并，導致沿晶斷裂。同樣，在 γ 晶界處析出第二相顆粒（如 AlN 和 TiC）也具有不利影響，因為它們處于有利于裂紋形成的位置。相反，由于晶粒細化效應，快速動態再結晶動力學可以恢復熱延展性，從而將裂紋與其傳播路徑分離開。遺憾的是，據報道，非微合金化 TWIP 鋼具有緩慢的動態再結晶動力學性。因此，它對提高在700-950℃范圍內的熱延展性的貢獻是有限的。

研究人員嘗試采用一些方法來提高熱延展性。較快的應變速率能提高合金的熱延展性。然而，在現有的制造設備中，應變速率難以改變，通常在矯直操作中，應變速率在10?3-10?4 s?1范圍內。此外，研究人員還研究了合金添加量的影響。Kang等人的研究表明，Ti和B的共同添加提高了TWIP鋼的熱延展性。Ti消耗N，能阻礙晶界處AlN和BN的析出;同時，B偏析會強化晶界。Salas-Reyes等人發現添加V的TWIP鋼比未添加V的鋼表現出更快的動態再結晶，從而提高了熱延展性。值得注意的是，其他元素如Nb和Ni會由于在晶界處形成沉淀物而產生不利影響。盡管它們對熱延展性的影響不同，但添加這些昂貴的合金元素會進一步增加TWIP鋼的成本。晶粒細化是一種替代方法，它將促進動態再結晶的發生，從而抑制微空洞的形成。因此，具有較小晶粒尺寸的 TWIP 鋼表現出較高的RA。然而，在主要通過孕育處理實現的連鑄工藝中，降低鑄態晶粒尺寸具有挑戰性的。孕育處理可以通過添加合金來進行，這會形成充當孕育劑的第二相顆粒，如添加Ti、Zr、Mg和Ce以形成Ti2O3、ZrO2、MgO、Ce2O3和富含 Ce 的化合物顆粒。孕育處理也可以通過直接向熔體中加入孕育劑顆粒來實現，這在鋁合金中得到了廣泛應用。晶粒細化程度與γ與孕育劑顆粒的晶格錯合密切相關;Ce2O3和ZrO2顆粒相比MgO與γ的不匹配更小，在晶粒細化方面更有效。

值得注意的是，MnS顆粒可能是一種很有前途的孕育劑，因為它們和γ之間的晶格失配也是最小的。MnS的這種潛在優勢尚未實現，原因有二。首先，Mn和S作為合金元素傾向于向γ晶界偏析，從而降低了晶界內聚力。其次，Mn與S結合在γ晶界形成MnS顆粒會促進沿晶斷裂，降低熱延展性。然而，當MnS顆粒存在于γ基體中時，它們并不會影響熱延展性。因此，正確使用MnS顆粒作為一種有效的孕育劑而不引起晶間破裂是一個挑戰。

在這里，浦項科技大學的T.T.T. Trang、Soo-Yeon Lee、Yoon-Uk Heo等探討了在鑄態條件下使用MnS顆粒作為孕育劑來細化γ晶粒尺寸，從而提高TWIP鋼的熱延展性的可能性。對TWIP鋼的鑄態組織進行細化，對于提高其力學性能和解決橫向開裂問題具有重要意義。MnS 孕育合金可以在連鑄過程中通過送絲法進入結晶器（鑄模），從而提高TWIP鋼的熱延展性。我們的發現有助于使TWIP 鋼的制造成為可能，從而使 TWIP 鋼能夠廣泛用于各種應用，尤其是汽車領域。相關成果以題為“Improved hot ductility of an as-cast high Mn TWIP steel by direct implementation of an MnS-containing master alloy”發表在《Scripta Materialia》上。

本文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646222001853

圖1所示：(a) TWIP鋼錠的制造工藝示意圖，(b)熱拉伸試驗中的熱循環，以及(c)顯示TWIP鋼中粗晶粒和MnS孕育的TWIP鋼錠中細晶粒的截面圖像。

圖 2所示：TWIP 鋼（a）未添加和（b）添加 MnS 孕育劑的鑄造方向觀察到的反極圖；(15°- 62°)用黑色高亮顯示。（c）從過冷區柱狀的過渡晶帶獲得的掃描電子顯微照片顯示 MnS 顆粒的均勻分布。(d) MnS 顆粒的 EDS 組成圖。

圖3所示：從[110]γ區軸觀察到MnS粒子與γ基體的取向關系:(a)衍射圖，(b)亮場和暗場TEM顯微圖，(c-d) HAADF-STEM圖像;γ和MnS粒子都是在< 110 >區軸上觀察到的。(d)中的白色虛線沿原子列排列，線與線之間的距離對應于{111}γ或{222}MnS的平面間距。(d)中的插圖是γ和MnS的快速傅里葉變換(FFT)圖形，以及用于識別錯配位錯及其Burgers矢量的逆FFT圖像。

圖 4所示： (a) 研究鋼在 800°C 和 900°C 下變形的應力-應變曲線。(b) 斷面收縮率 (RA)與溫度的函數關系；插圖是斷裂試樣的側視圖。(c-j) 低倍和高倍掃描電鏡圖像顯；(c-f) TWIP 和(g-j)由 MnS孕育處理的TWIP 鋼的斷口。

圖5所示；研究了Fe-18Mn-0.6C-1.5Al TWIP鋼的熱延展性，并與(a)添加和不添加微量合金化元素的TWIP鋼和(b)不同Mn含量的TWIP鋼進行了比較。(c)晶粒尺寸對TWIP鋼900℃熱塑性的影響。