第一作者：張言

通訊作者：巖雨

通訊單位：北京科技大學新材料技術研究院腐蝕與防護中心

DOI: 10.1016/j.jmst.2024.03.014

01全文速覽

中錳鋼（錳含量3-12 wt. %）因其優異的力學性能及輕量化潛力在汽車工業中展現出廣泛的應用前景。本文從成分設計、加工工藝、微觀組織、力學性能及氫脆等方面綜述了中錳鋼的研究進展并根據目前存在的問題對中錳鋼未來的發展方向及研究前景提出了展望。

02研究背景

由于汽車數量的不斷增加，節能減排問題受到了廣泛關注。汽車減重是限制燃料消耗的有效方法。因此，現代汽車用鋼的發展目標是在確保行車安全的同時實現輕量化。以中錳鋼為代表的第三代先進高強鋼不但克服了前兩代鋼所存在的性能差、成本高的缺點，而且兼具輕量化潛力，逐漸受到汽車工業的青睞，被用于制造沖擊梁、底盤和保險杠等關鍵部件。然而，鋼材強度的提升往往伴隨著塑性的損失，這增加了脆性斷裂的風險，尤其是氫脆。鑒于此，通過改良合金成分和加工工藝調控微觀組織成為了打破中錳鋼強塑平衡桎梏，提升氫脆抗性的有效途徑。

03本文亮點

（1）從合金成分設計角度出發，明確了C、Mn、Al、Cu等主要元素的添加閾值及其對中錳鋼微觀組織演變及力學性能的影響；

（2）詳細介紹了中錳鋼制備過程中常見的軋制工藝及熱處理制度，為后人的研究提供了參考價值；

（3）討論了微觀組織、氫濃度和應變等因素對中錳鋼氫脆行為的影響，總結了提高中錳鋼抗氫脆性能的實用策略。

04圖文解析

圖1 不同錳含量中錳鋼的極限抗拉強度、總延伸率及強塑積匯總

錳是決定中錳鋼奧氏體熱力學穩定及機械穩定的關鍵元素。此外，錳在操縱層錯能中同樣扮演重要角色。由于層錯能的升高，錳含量介于9-12 wt. %之間的中錳鋼在變形過程中可表現出TRIP和TWIP效應的連續作用，從而實現優異的力學性能。但高錳含量的添加同樣也會帶來問題，例如錳易在晶界處偏析產生脆性帶，導致鋼材塑性降低；錳元素的擴散緩慢，需要長時間的熱處理以確保其在奧氏體中的配分。

圖2 軋制工藝對中錳鋼微觀組織的影響

中錳鋼的軋制技術一般包括熱軋（HR）、冷軋（CR）和溫軋（WR）。熱軋和冷軋已經得到了廣泛的研究。熱軋通常在AC₃溫度以上進行，此時鋼中形成沿軋制方向分布的片層狀晶粒。冷軋一般在熱軋的基礎上進行，其溫度低于再結晶溫度。在冷軋過程中，晶粒之間的相互擠壓會積累變形能，加速熱處理過程中的再結晶，導致晶粒形態轉變為等軸。值得注意的是，溫軋在恢復溫度和再結晶溫度之間進行，可促進鋼中具有高變形能的奧氏體充分長大為等軸晶，而剩余的晶粒將繼續保持片層形態，最終形成非均奧氏體分布。

圖3 軋制技術、溫度及壓下量對中錳鋼力學性能的影響

此前提到，軋制技術可直接影響微觀組織形貌，進而影響中錳鋼的性能。例如，等軸晶粒之間的擠壓會引起局部應力集中，激活可移動位錯，導致更高的強度和延伸率。而與均相奧氏體相比（僅包含單一形貌晶粒），非均相奧氏體（同時包含多形貌晶粒）在變形過程中表現出遞進且持續的TRIP效應，具有更佳的強度-塑性平衡。軋制溫度對晶粒的生長也起著至關重要的作用。例如，較低的熱軋溫度可以抑制動態恢復，促進應變誘導晶界的產生，通過晶粒細化和發展高密度大角度晶界提高鋼材的強度和韌性。此外，低軋制溫度有助于加速原奧氏體晶界附近具有相同晶體取向和空間排列的逆變奧氏體的形成，這種現象被稱為奧氏體記憶效應，它可以緩解變形過程中的局部應變集中。此外，軋制壓下量也是決定中錳鋼性能的關鍵因素。大壓下量通常意味著更細的晶粒和更高的強度。與冷軋相比，熱軋和溫軋過程中晶粒具有更優異的變形和恢復能力，是大壓下量重軋的最佳選擇。

圖4 非均元素分布抑制氫致裂紋示意圖（原圖轉載自https://doi.org/10.1038/s41563-021-01050-y，已獲Springer Nature授權）

經成分設計及工藝調控后，中錳鋼所面臨最終問題仍然是服役。高強鋼在臨氫環境中的氫脆問題由來已久，亟待解決。定制微觀組織是提升中錳鋼抗氫脆性能的常用方式。例如，制備鐵素體-奧氏體雙相中錳鋼，利用鐵素體基體的應力配分保護奧氏體，避免其在變形過程中過早發生馬氏體轉變；也可通過設計納米尺度薄膜形貌奧氏體，利用其高機械穩定性抵抗裂紋尖端應力集中引起的馬氏體相變。近期，調控非均化學分布成為了改善中錳鋼氫脆問題的新方向。通過兩步退火制備可制備核殼結構奧氏體，富錳外殼有效抑制了貧錳核心的馬氏體相變，阻礙了裂紋的萌生與擴展；也有研究利用熱處理過程中相變和溶質擴散之間的動力學失配，在不同持續時間和溫度的熱處理下制備了分散的富錳區。高密度富錳區形成的緩沖層延緩了氫的遷移和裂紋擴展。

05總結與展望

本文綜述了中錳鋼的合金成分、加工工藝、微觀組織、力學性能和氫脆行為。隨著研究的不斷深入，中錳鋼正逐步向更優異的性能發展。然而，仍有一些問題等待進一步解決與完善：

（1）合理的合金成分往往建立在大量的實驗基礎上，需要大量的成本與時間。利用機器學習或材料基因工程來識別潛在的合金成分可能是中錳鋼未來發展的方向。

（2）定制結構的中錳鋼（如非均結構）展現出了優異的力學性能，但其制備工藝較為復雜。設計簡易且實用的制備工藝對中錳鋼的發展有重要意義。

（3）氫脆的研究正逐步向更微觀的尺度發展，以加深對其機理的理解。目前誘導氫致開裂的臨界氫濃度、氫與微觀組織的相互作用、腐蝕對氫脆的影響等方面仍有待澄清，值得進一步研究。

06作者介紹

第一作者：張言，北京科技大學新材料技術研究院2023級博士研究生，研究方向為中錳鋼的氫脆行為及抗氫脆優化設計。以第一、第二作者身份在Journal of Materials Science & Technology、Materials & Design、International Journal of Hydrogen Energy、Corrosion Science等期刊發表論文5篇。

通訊作者：巖雨，北京科技大學新材料技術研究院教授，博士生導師，英國物理學會會士，現任北京科技大學新材料技術研究院腐蝕與防護中心主任。主持6項國家自然科學基金。曾獲歐盟“瑪麗居里”人才計劃、國家優秀留學生獎、國際摩擦學青年獎、中國腐蝕與防護學會杰出青年科技人才獎、全國優秀科技指導教師獎、AMPP Fellow Honor、北京科技大學“師德先鋒”、“研師亦友-我最喜愛的導師”等。擔任SCI收錄期刊《Anti-Corrosion Methods and Materials》唯一主編，發表SCI收錄論文170余篇。2022年起擔任ISO TC156專業委員會委員 WG14全球召集人，負責磨蝕領域國際標準的制定。

07引用本文

Yan Zhang, Qizhe Ye, Yu Yan, Processing, microstructure, mechanical properties, and hydrogen embrittlement of medium-Mn steels: A review, J. Mater. Sci. Technol. 201 (2024) 44-57.