0. 引言

中錳鋼是在高錳鋼的基礎上通過適當降低錳含量而研制的第三代高強鋼[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度[2],其耐磨性能優(yōu)于Hardox系列耐磨鋼和高錳鋼[3-4]。我國對中錳鋼的研究開始于20世紀80年代,主要研究機構有東北大學、吉林工業(yè)大學、北京科技大學、武漢科技大學、鋼鐵研究總院等。經(jīng)過30多a的發(fā)展,我國生產(chǎn)的中錳鋼性能大幅提高,同時研究者設計并制備出了兼具超高強度和良好韌性的中錳鋼,技術領先于國外[5]。中錳鋼以鐵為基礎元素,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汽車板帶鋼材料,而Fe-C-Mn-Si-Cr系中錳鋼則多應用在礦山機械耐磨件上。為了給中錳鋼的開發(fā)與應用提供參考,作者對其化學成分、顯微組織、熱處理工藝、力學性能和耐磨性能等方面的研究進展進行了總結與分析,并在此基礎上,結合現(xiàn)有試驗與應用情況展望了今后中錳鋼的研究方向。

1. 化學成分

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散。表1為總結得到的1988—2023年中錳鋼的化學成分變化,可以看出,2010年后中錳鋼的碳質(zhì)量分數(shù)由最初的0.8%~1.2%降低至0.4%以下,錳質(zhì)量分數(shù)由最初的6%左右擴大到2%~10%之間。碳、錳含量對中錳鋼的力學性能影響顯著：過多的碳會以碳化物形式析出,降低鋼的強度[6]；而過少的碳不能發(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性能。在提高錳含量同時添加銅元素后,中錳鋼的強塑積提高[9],同時添加鉬和釩元素后,中錳鋼的屈服強度明顯提高[10]。降低錳含量同時添加鈦和鉬元素后,因鈦和鉬可與碳形成碳化物優(yōu)先析出而成為奧氏體結晶核心,起到細化晶粒的作用,中錳鋼的抗拉強度大幅提高[11]；同時添加硅、鉻、鋁和鉬元素后,中錳鋼的抗拉強度超過2 200 MPa[12]。在降低硅含量同時添加鋁、釩和對位錯有釘扎作用的鈮元素,可在保持高強度的前提下,大幅提高斷后伸長率,從而獲得綜合力學性能較好的中錳鋼[11,13]。稀土元素會影響碳、錳元素的配分行為、逆相變奧氏體的含量及其穩(wěn)定性,同時具有細化晶粒、凈化鋼液以及減少脆性夾雜物的作用[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提高30%~50％,抗拉強度提高約10％,耐磨性也顯著提高[46]。中錳鋼中同時加入稀土元素、鈮和釩元素后,由于稀土元素的細化晶粒作用、鈮和氮的固溶強化和阻礙位錯作用,中錳鋼的抗拉強度和沖擊吸收能量分別提高43%和44%[47]。