东北大学：抗拉1341MPa，延伸41.8%！新工艺大幅提高中锰钢性能！

导读：本文提出了一种涉及温轧和低温退火的微观组织设计的新理念，以大幅度提高中锰钢的强韧性组合。第一微带和第二变形孪晶诱发了独特的相变诱发塑性,显著提高了塑性,非再结晶奥氏体晶粒中合理的位错密度使屈服强度大幅度提高。通过模型的构建论了固溶强化、晶界强化、V-析出相强化和位错强化对屈服强度的个体贡献,其中缠结位错起主导作用。获得了屈服强度（1239MPa）、极限抗拉强度（1341MPa）、总伸长率（41.8%）和强度与伸长率乘积（56.1GPa·%）的最佳强度-塑性组合，中猛钢相当并优于已报道的中锰钢。

中锰钢 (5-12 wt.% Mn) 因其强度和延展性的完美组合，被认为是第三代先进高强度钢 (AHSS) 的潜在候选者。通过优化具有合理稳定性的残余奥氏体(RA)分数，中锰钢可以实现具有吸引力的强度和延伸率乘积 (PSE，通常高达 30-70 GPa%)。孙等人研究了一种10.12Mn-0.31C-3.81Al-0.56Si钢，由于相变诱发塑性（TRIP）效应和孪晶诱发塑性（TWIP）的激活，YS=620MPa、UTS=1048MPa和TE=63%的平衡良好) 变形过程中的影响。然而，TWIP/TRIP 中锰钢的屈服强度相对较低（550-850MPa），这点可以归因于铁素体和奥氏体等软相。由于添加了奥氏体稳定化元素，很难通过简单的淬火获得硬马氏体来提高Q&P钢的屈服强度。胡等人发现添加 0.7wt.% V 有助于形成密集的纳米级V-碳化物，增强了对位错滑动的抵抗力，然后提高了屈服强度。Fan 及其同事报道了一种基于物理理论和机理的梯度微观结构数值模型，将屈服强度等级从 300MPa 提高到 1000MPa。

然而，复杂的工艺或高合金添加显著增加了制造成本和难度，当晶粒尺寸减小时，TRIP/TWIP 效应会受到限制。位错强化是改善工程合金性能的另一种方法。有研究者指出精细的位错结构由高位错密度壁以及平面滑动配置形成的可以显著提高强度。但过高的位错密度会使奥氏体晶粒过度稳定，甚至抑制 TRIP 和 TWIP 效应，导致延展性下降。如何在超高屈服强度水平下获得更好的延展性，即克服传统制造工艺中的强度-延展性权衡，已成为一个问题。

因此，东北大学轧制与自动化国家重点实验室许云波教授团队进行了深入探索，提出了一种涉及温轧和低温退火的新策略，以获得具有薄微带和缠结位错的未再结晶奥氏体，旨在实现1239MPa的屈服强度-1341MPa的抗拉强度-41.8的伸长率的最佳组合。此外，还强调了微带对多级 TRIP 效应的关键作用，并且特别关注位错强化机制对屈服强度的贡献。相关研究成果以题为“Improving yield strength and elongation combination by tailoring austenite characteristics and deformation mechanism in medium Mn steel”发表在材料学顶刊Scripta Materialia上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2022.114790

图1（a）显示了现有钢材的工程应力-应变曲线。WR600 具有优异的力学性能，UTS 为 1341 MPa，YS 为 1239 MPa，TE 为 41.8%，PSE 为 56.1 GPa·%，表现出扩展的屈服平台。WR725 样品的 YS 为 585 MPa，UTS 为 975 MPa，TE 为 48.2%，CR600 具有 1617MPa 的高强度，但延伸率为 6.6%。图1 （b）显示了加工硬化率（WH）曲线以及奥氏体分数的变化。CR600在拉伸变形过程中奥氏体分数从31.3%下降到30.1%，表明几乎没有奥氏体晶粒转变为马氏体。随着应变的增加，WR600和WR725的加工硬化率在2000MPa左右波动，没有明显下降。它们可以分为两个阶段。在第一阶段（0-0.09应变），WR600的奥氏体分数从80.3%下降到69.7%，WH呈现锯齿状行为，尤其是在变形的初始阶段，表明在屈服高原有明显的TRIP转变。然而，WR725的WH在0.26应变下呈现平稳且缓慢的单调下降，只有9.3%的奥氏体转变，这表明该阶段TRIP效应不活跃。WR600 和 WR725 的 WH 曲线在第二阶段都表现出明显的锯齿状行为，这可能与 DSA 和 TRIP 效应有关。图 1（c）总结了参考文献中报道的 AHSS 的总伸长率和屈服强度。与现在的钢相比（用红星标记）。中锰 TRIP 钢具有较高的延伸率，但屈服强度相对较低。TWIP/TRIP钢和马氏体钢具有较高的屈服强度，延伸率低于20%。尽管 WR600 具有不连续屈服和 Lüders 应变，但WR600的超高屈服强度和增强的延展性使其在 YS-TE 图中占据突出地位。

图 1。(a) 本钢材的工程应变-应力曲线；(b) 作为真应变函数的加工硬化率和奥氏体分数的变化；(c) 目前 TWIP/TRIP 中锰钢与参考文献中的 AHSS 之间的 TE-YS 数据比较。

图 2。(a) CR600、(b) WR600、(c) WR725 的SEM图像；(d)CR600中奥氏体的核平均取向错误 (KAM) 图；(e) CR600 中奥氏体的逆极图 (IPF) 图；(f) WR600 中奥氏体的 KAM 图；(g) WR600 中奥氏体的 IPF 图；CR600和WR600中EBSD分析（FCC）的置信度指数分别为0.80和1.06。(h) V-析出物的平衡相图和堆垛层错能的计算结果；(i) CR600 奥氏体晶粒中的位错单元结构；(j) WR600 奥氏体晶粒中的微带和位错；(k) V-沉淀物的 TEM 图像和 EDS 分析结果。

图 3。WR600样品在（a）和（b）0.09不同真应变下的明暗场分析；(c) 和 (d) 0.24；(e) 和 (f) 0.34；(g) 0 不同真应变下WR725样品的TEM分析；(h) 0.09；㈠ 0.26；(j) 断裂。

图 4。多种强化机制对屈服强度的单独贡献。(a) 修改后的威廉姆森-霍尔散点图；(b) 样品的计算和实验屈服强度。

总之，本文提出了一种涉及温轧和低温退火的新加工策略，以调整奥氏体特性并确保TWIP/TRIP 中锰钢具有优异的机械性能。由于SFE的控制，在WR样品中获得了高比例的具有特定微带和合理位错密度的奥氏体。未再结晶奥氏体晶粒和变形孪晶中的微带触发独特的两阶段TRIP变形机制，首先是由微带引起的正TRIP效应，其次是TWIP辅助的TRIP效应，这对提高延展性起着重要作用在 WR 样本中。同时，本构计算和实验结果表明，WR600中合理的位错密度不仅对超高屈服强度有显著贡献，而且促进了多阶段TRIP效应的发生。与 CR 样品相比，WR 样品获得了优异的强度-延展性平衡：YS、UTS、TE 和 PSE 值分别为 1239MPa、1341MPa，41.8% 和 56.1GPa·%，在 YS 中处于突出地位。