0. 引言

中锰钢是在高锰钢的基础上通过适当降低锰含量而研制的第三代高强钢[1],在中低冲击载荷作用下即可发生变形诱发马氏体相变,具有良好的韧性和较高的强度[2],其耐磨性能优于Hardox系列耐磨钢和高锰钢[3-4]。我国对中锰钢的研究开始于20世纪80年代,主要研究机构有东北大学、吉林工业大学、北京科技大学、武汉科技大学、钢铁研究总院等。经过30多a的发展,我国生产的中锰钢性能大幅提高,同时研究者设计并制备出了兼具超高强度和良好韧性的中锰钢,技术领先于国外[5]。中锰钢以铁为基础元素,碳为固溶元素,锰和硅为主要合金元素,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系中锰钢常作为高强汽车板带钢材料,而Fe-C-Mn-Si-Cr系中锰钢则多应用在矿山机械耐磨件上。为了给中锰钢的开发与应用提供参考,作者对其化学成分、显微组织、热处理工艺、力学性能和耐磨性能等方面的研究进展进行了总结与分析,并在此基础上,结合现有试验与应用情况展望了今后中锰钢的研究方向。

1. 化学成分

中锰钢的主要元素为铁、碳、锰、硅。碳和锰是奥氏体稳定化元素,锰元素在热处理过程中向奥氏体中富集,使奥氏体在室温下不发生马氏体相变,硅可以抑制碳化物形成,有利于碳元素向奥氏体扩散。表1为总结得到的1988—2023年中锰钢的化学成分变化,可以看出,2010年后中锰钢的碳质量分数由最初的0.8%~1.2%降低至0.4%以下,锰质量分数由最初的6%左右扩大到2%~10%之间。碳、锰含量对中锰钢的力学性能影响显著：过多的碳会以碳化物形式析出,降低钢的强度[6]；而过少的碳不能发挥出稳定奥氏体的作用[7]。锰含量提高有利于奥氏体的稳定[8]。中锰钢中添加的元素种类很多,主要有钼、氮、钒、铜、钛、镍、铌以及稀土元素（RE）等。通过改变中锰钢的主要元素含量并添加其他元素,可以大幅提高其力学性能。在提高锰含量同时添加铜元素后,中锰钢的强塑积提高[9],同时添加钼和钒元素后,中锰钢的屈服强度明显提高[10]。降低锰含量同时添加钛和钼元素后,因钛和钼可与碳形成碳化物优先析出而成为奥氏体结晶核心,起到细化晶粒的作用,中锰钢的抗拉强度大幅提高[11]；同时添加硅、铬、铝和钼元素后,中锰钢的抗拉强度超过2 200 MPa[12]。在降低硅含量同时添加铝、钒和对位错有钉扎作用的铌元素,可在保持高强度的前提下,大幅提高断后伸长率,从而获得综合力学性能较好的中锰钢[11,13]。稀土元素会影响碳、锰元素的配分行为、逆相变奥氏体的含量及其稳定性,同时具有细化晶粒、净化钢液以及减少脆性夹杂物的作用[14-16]。添加稀土元素可使Mn6中锰钢的组织和性能得到综合改善,其耐磨性比不添加稀土元素的Mn6中锰钢提高约20％[17]。钨元素可以改变碳在奥氏体中的分布状态,使球状碳化物弥散分布于奥氏体晶粒内部,添加钨元素后中锰钢的冲击吸收能量比不添加钨元素时提高30%~50％,抗拉强度提高约10％,耐磨性也显著提高[46]。中锰钢中同时加入稀土元素、铌和钒元素后,由于稀土元素的细化晶粒作用、铌和氮的固溶强化和阻碍位错作用,中锰钢的抗拉强度和冲击吸收能量分别提高43%和44%[47]。