导读：中锰钢（MMS）被认为是最有前途的第三代先进高强度钢。然而，由于锰含量相对较高、屈服强度较低以及出现吕德斯带纹等因素，中锰钢的实际生产和应用一直受到限制。在这篇论文中，闪速加热与化学异质性概念相结合，设计出了一种锰含量较低（Fe-0.18C-4.95Mn-0.4Si (wt.%)）的 MMS 变体，将材料的屈服强度提高了近一倍，并成功地减轻了 Lüders 带状现象的存在。有趣的是，研究发现锰的异质性不仅能直接稳定奥氏体，还能通过促进碳从贫锰奥氏体向富锰奥氏体的分配来促进奥氏体的稳定。事实证明，加热速率是控制化学异质性、奥氏体稳定性和机械性能的关键参数。该方法对其他先进的高强度钢具有潜在的应用价值。

中锰钢（MMS）被视为先进高强度钢（AHSS）中最有前途的候选材料之一。传统上，中锰钢通过所谓的奥氏体反转处理（ART）进行加工，从而形成由铁素体和易变奥氏体组成的超细晶粒微观结构。通过可变质奥氏体的转变诱导塑性（TRIP）和/或孪晶诱导塑性（TWIP）的影响，可大大提高 MMS 的加工硬化能力。然而，ART 过程中基体的明显软化给传统 MMS 实现高屈服强度带来了挑战。此外，在 MMS 中还经常出现吕德斯带，对表面质量和耐氢性造成不利影响。这些局限性极大地限制了 MMS 的广泛应用。

近年来，创造化学异质性已成为调整 MMS 中微观结构和奥氏体稳定性的一种手段。在对可转移奥氏体和高强度马氏体基体的微观结构进行工程设计的概念中，最初的步骤包括创建化学异质的预微观结构，该结构由奥氏体稳定剂（如锰）的富集相和贫化相组成。奥氏体化后，奥氏体晶粒会完全或部分继承这种锰的异质性。这反过来又导致了冷却过程中马氏体转变行为的不均匀性，为设计新型微结构提供了机会。锰富集相可能是雪明碳化物或回复奥氏体。就还原奥氏体而言，锰的异质性是通过使用 ART 和闪热引入的。通过这种方法，天津大学材料科学与工程学院丁然等人在锰含量为 8 wt.% 的 MMS 中引入了化学边界工程 (CBE) 的概念，这代表了化学异质性的极端情况。这种化学边界可在随后的冷却过程中阻止马氏体板条的扩展。在这一工艺中，通常采用块状锰含量较高（>5 wt.%）的 MMS，以获得足够富集锰的还原奥氏体。然而，使用高锰含量的 MMS 会带来一定的制造挑战，例如锰偏析带以及轧制和焊接困难。因此，检查化学边界/均质性概念是否可应用于锰含量为 3-5 wt.%的 MMS 具有根本性和实用性意义。然而，降低 MMS 的锰含量会引发几个关键问题。首先，锰含量降低会导致还原奥氏体的比例和锰浓度降低；其次，锰含量降低会导致奥氏体化温度升高，从而难以控制化学边界的锐利程度，甚至难以在奥氏体化过程中保持化学异质性。最后，基体中较低的锰含量会增加淬火过程中铁素体形成的可能性，从而使淬火后的奥氏体分解和元素分配变得更加复杂。这也会对机械性能产生不利影响。

本研究旨在探索通过结合化学异质性概念和闪速加热，促进含锰 4.95 重量百分比的 MMS 的强度和延展性协同作用的可能性。在这项工作中，天津大学丁然教授团队重点研究了减少锰的体积含量以及加工参数（尤其是加热速度）对化学异质性、相变、微观结构和机械性能的影响。相关研究成果以“Flash annealing of a chemically heterogeneous medium Mn steel”发表在Scripta Materialia上。

链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359646223006449

图 1. (a) 本研究中采用的 ART 和 FA 工艺的退火路线示意图；

(b) 显示 ART 试样多相微观结构的扫描电镜图像，由 α-铁素体、γ-奥氏体和 θ-冰晶石组成；(c) ART 试样的三维 APT 重建：(c1) Mn、C、Fe 和 Si 的元素分布图；c2) Mn 和C 沿图 1c1 中箭头的一维剖面图。PB 为相边界。

图2所示。FA10 (a - d)和FA100 (e - h)的EBSD图像:(a, e)图像质量(IQ)图，

其中红色代表奥氏体相，绿色代表铁素体/马氏体相;(b, f)逆极图(IPF)先验奥氏体重建;先前奥氏体的晶界图与(c, g)奥氏体晶粒和(d, h)铁素体晶粒重叠。

图 3. (a) FA100 试样的 3D-APT 结果：(a1) Mn、C、Fe 和 Si 的元素分布图；(a2) 沿图3a1 中箭头提取的一维元素剖面图；(b) FA10 试样的TEM-EDS 表征：

(b1) FA10 试样的 TEM 图像；(b2) 沿图 3b1 中箭头的 Mn 强度剖面图；

(c) 显示 FA100、FA10 和 H1 试样中马氏体转变的稀释曲线，其中 Ms 指马氏体开始温度；(d) C 分布在 FA100、FA10 和 H1 试样中的变化。3b1；（c）显示 FA100、FA10 和 H1 试样中马氏体转变的扩张曲线，其中 Ms 指马氏体开始温度；（d）DICTRA模拟的 FA100 连续冷却过程中 C 分布的演变。

表 1. ART、FA100 和 FA10 试样中奥氏体的信息汇总。

图 4：（a）FA和 ART 试样的工程应力-应变曲线；（b）FA 钢与其他 MMS 和 Q&P 钢（锰含量低于 5.5 wt.%）的机械性能（屈服强度 vs 均匀伸长率）比较；（c）随着应变的增加，一系列原位 EBSD IQ 图与 FA100 的RD-TD 平面上的相图叠加。

本研究成果如下：

（1）闪速退火和化学异构的应用已被证明成功地制造出了锰含量较低但具有超强韧性的 MMS。

（2）与传统 ART 加工的具有软铁素体基体的 MMS 不同，新设计的 MMS具有强马氏体基体，可有效消除吕德斯带状现象，并大幅提高屈服强度。

（3）锰的异质性不仅能直接促进奥氏体的稳定，还能通过引入碳分配来稳定奥氏体。加热速率在控制化学异质性、奥氏体稳定性和机械性能方面起着至关重要的作用。