高錳鋼（High Manganese Steel）是一種以錳（11%-14%）和碳（1.0%-1.4%）為主要合金元素的高強(qiáng)度合金鋼,，因其加工硬化特性（受沖擊或壓力后表面硬化,，內(nèi)部保持韌性）和優(yōu)異的耐磨性,、抗沖擊性,，被廣泛應(yīng)用于多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域,。

隨著全球汽車行業(yè)對節(jié)能減排和輕量化需求的急劇攀升,，根據(jù)國際能源署（IEA）數(shù)據(jù),，交通運(yùn)輸領(lǐng)域的碳排放占全球總量的 24%,，而汽車輕量化是降低能耗的核心路徑之一,。每減輕 10% 的車身重量，可降低 6%-8% 的燃油消耗,，因此,，在汽車的鋼材方面，高錳鋼因其優(yōu)異的強(qiáng)度和延展性,，成為替代傳統(tǒng)鋼材的理想選擇,。這個(gè)具有百年歷史鋼種的應(yīng)用領(lǐng)域從最初的耐磨鋼領(lǐng)域，逐漸拓展到無磁鋼,、汽車鋼,、腐蝕及低溫環(huán)境用鋼，甚至功能材料領(lǐng)域,，形成了多個(gè)關(guān)鍵鋼鐵材料品種,，成為特種鋼領(lǐng)域最典型,、應(yīng)用領(lǐng)域廣的鋼種系列，極大地豐富了鋼鐵材料世界,。

高錳鋼的密度較高,，且生產(chǎn)過程中易因錳元素氧化造成成分波動(dòng)，影響性能穩(wěn)定性,。因此,，如何在保證性能的同時(shí)進(jìn)一步降低材料密度、優(yōu)化生產(chǎn)工藝,，成為現(xiàn)階段能實(shí)現(xiàn)材料大范圍應(yīng)用的亟待解決的問題之一,。

鋁元素的加入為這一問題提供了雙重解決方案：一方面，鋁可降低鋼材密度（每添加 1wt% 鋁,，密度降低約 1.3%）,；另一方面，鋁能提高層錯(cuò)能（SFE）,，抑制延遲斷裂,，同時(shí)優(yōu)化鋼與熔渣的反應(yīng)過程。然而,，非金屬夾雜物（如 AlN,、MnS 等）的尺寸、類型及分布直接影響其熱延展性與服役性能,。傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡僅能評估夾雜物形貌,，無法實(shí)現(xiàn)成分精準(zhǔn)分類與納米級定量統(tǒng)計(jì)，制約工藝優(yōu)化效率,。

//PART02//鋁元素對高錳鋼性能的影響

01鋁替代錳：減少錳損失,，優(yōu)化成分穩(wěn)定性

當(dāng)鋁含量從 0.035wt% 提升至 2wt% 時(shí)，鋁逐漸取代錳成為熔渣中 SiO 的主要還原劑,，顯著抑制錳的氧化損失,。實(shí)驗(yàn)表明，鋁含量為 0.035wt% 時(shí),，鋼中錳含量降至 9.62%,，而鋁含量升至 0.5wt% 后，錳含量穩(wěn)定在 10% 以上,，由此可見加入鋁可以有效降低原材料成本,，減少貴金屬的損失,。

02成分演變：硅含量提升,，熔渣 Al?O? 富集

鋁與熔渣中的SiO反應(yīng)生成 Al?O? 和 Si，導(dǎo)致鋼中硅的含量增加,，而熔渣中的 SiO? 含量降低,，Al?O? 的含量提升,。硅含量的提升可進(jìn)一步強(qiáng)化鋼的強(qiáng)度，而 Al?O? 的富集則有助于提高熔渣的脫硫能力,，優(yōu)化精煉效率,。

03夾雜物演變：從 MnO 到復(fù)合氧化物

鋁含量對夾雜物類型和形貌的影響尤為顯著，高錳 TWIP 鋼因其高強(qiáng)度,、高韌性成為汽車輕量化核心材料,，但非金屬夾雜物（如 AlN、MnS 等）的尺寸,、類型及分布直接影響其熱延展性與服役性能,。

北京科技大學(xué)團(tuán)隊(duì) 采用了 Explorer 4 夾雜物自動(dòng)分析系統(tǒng)檢測鋼中夾雜物，分析夾雜物的成型機(jī)理及規(guī)律,。傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡（OM）僅能評估夾雜物形貌,，無法實(shí)現(xiàn)成分精準(zhǔn)分類與統(tǒng)計(jì)，制約工藝優(yōu)化效率,；而夾雜物自動(dòng)分析系統(tǒng)以掃描電鏡和能譜儀為硬件基礎(chǔ),，可以全自動(dòng)對鋼中非金屬夾雜物進(jìn)行快速識別、分析和分類統(tǒng)計(jì),，為客戶的研發(fā)及生產(chǎn)提供快速,、準(zhǔn)確和可靠的定量數(shù)據(jù)支持。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：

低鋁（0.035wt%）：當(dāng) Al 含量為 0.035% 時(shí),，主要為球狀 MnO 夾雜（圖1）,。

（圖1）

中鋁（0.5wt%-1wt%）：當(dāng) Al≥0.5% 時(shí)，Al 還原渣或坩堝中的 MgO,，生成 MgO–Al?O? 尖晶石,，夾雜物類型轉(zhuǎn)變?yōu)橐?MnO–Al?O?–MgO 為主，中心為 MgO,，外圍為 MnO–MgO–Al?O? 復(fù)合相,，形狀不規(guī)則（圖2）。

（圖2）

Al 進(jìn)一步增加時(shí),，Mg 還原量增加,，MgO 成為夾雜主體，以 MgO 為主（圖3a）,，部分含少量 MnO（圖3b）,，形狀呈多面體。

（圖3）

高鋁（2wt%）：Al=2% 時(shí),，Ca 被還原進(jìn)入鋼液,，導(dǎo)致夾雜物轉(zhuǎn)變?yōu)楹?CaO 的復(fù)合相，夾雜物出現(xiàn) Ca 成分,，主要為 MnO–CaO–Al?O?–MgO 及 MnO–CaO–MgO 型,，形狀恢復(fù)球形,。

（圖4）

夾雜物平均成分的變化中，隨初始 Al 增加,，MnO 含量下降,，MgO 與 Al?O? 占比變化顯著。當(dāng) Al=1% 時(shí),，MgO 含量達(dá)峰值,；Al=2% 時(shí)，CaO 含量顯著上升,。

夾雜物尺寸分布的變化中,，1–2 μm 占比最大，但2–3 μm 與 3–4 μm 比例在 2,、3 號樣中增加,，4 號樣則減小。平均尺寸呈先增后減趨勢,，與 MgO 含量變化一致,。

夾雜物形貌演變：球形→不規(guī)則→多面體→球形。不規(guī)則夾雜物尺寸較大,。

因此,，通過調(diào)控鋁含量，企業(yè)可精準(zhǔn)設(shè)計(jì)夾雜物類型,，避免大尺寸硬質(zhì)夾雜對材料韌性的損害,，同時(shí)利用球形夾雜改善加工性能。

04鋁對于高錳鋼的耐腐蝕性影響

G. M. Barona-Osorio等人對于鋁元素對于高錳鋼的耐腐蝕性能的影響做了相關(guān)的研究,。研究發(fā)現(xiàn),，圖 3 顯示了這種腐蝕形式的掃描電鏡顯微照片。對于參考合金未添加鋁元素的情況下,，在晶界處看到高度腐蝕的區(qū)域,，表明發(fā)生了晶間腐蝕。這是由于在晶間位置會(huì)形成 MnS 夾雜物,，高含量的 Mn 不利于耐腐蝕性,，而 MnS 夾雜物是局部腐蝕的潛在部位，如點(diǎn)蝕和晶間侵蝕,，再加上缺乏足夠的保護(hù)性氧化物形成,。而添加了不同含量的鋁元素后的兩種合金表面只出現(xiàn)了一些凹坑和區(qū)域，沒有腐蝕侵蝕,。所有合金都可能遭受局部腐蝕,，但較高的 Al 含量與 Cr 相結(jié)合可以提高氧化層的穩(wěn)定性和均勻性，從而有助于減少點(diǎn)蝕的大小。

//PART03//ParticleX 全自動(dòng)夾雜物分析

多維解析夾雜物全生命周期

01納米級成像：捕捉夾雜物“基因密碼”

SEM 可結(jié)合二次電子（SE）與背散射電子（BSE）信號,，清晰區(qū)分不同夾雜物與基體的形貌差異，揭示夾雜物演變機(jī)制,。

轉(zhuǎn)爐初煉鋼和鋁鎮(zhèn)靜鋼中典型夾雜物形貌

02能譜分析（EDS）：成分鑒定的“火眼金睛”

SEM-EDS 聯(lián)用可快速鑒別夾雜物化學(xué)成分,。例如可以通過 SEM 圖像與 EDS 元素分布情況來分析單一相或是復(fù)合相非金屬夾雜物的分布及形成機(jī)理，從而改善工藝來調(diào)控夾雜物的尺寸等,。

MgO 與 CaS 復(fù)合夾雜物 SEM-EDS 圖像

03原位統(tǒng)計(jì)與自動(dòng)化：數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工藝革命

ParticleX 全自動(dòng)夾雜物分析系統(tǒng)可對大尺寸樣品進(jìn)行原位統(tǒng)計(jì),，輸出夾雜物數(shù)量、尺寸分布,、體積分?jǐn)?shù)及三元相圖成分分布等結(jié)果,。相比手動(dòng)分析，效率提升 10 倍以上,，且支持一鍵定位異常夾雜物進(jìn)行深度分析,。

參考文獻(xiàn)

[1] Huixiang Yu, Dexin Yang, Jiaming Zhang, Guangyuan Qiu,  and Ni Zhang, Effect of Al content on the reaction between Fe?10Mn?xAl (x = 0.035wt%, 0.5wt%, 1wt%, and 2wt%) steel and CaO?SiO2?Al2O3?MgO slag, Int. J. Miner. Metall. Mater., 29(2022), No. 2, pp.256-262.

[2] Wang, YN., Yang, J., Wang, RZ. et al. Effects of Non-metallic Inclusions on Hot Ductility of High Manganese TWIP Steels Containing Different Aluminum Contents. Metall Mater Trans B 47, 1697–1712 (2016).

[3] S.H. Mousavi Anijdan, M. Sabzi, H. Najafi, M. Jafari, A.R. Eivani, N. Park, H.R. Jafarian,

The influence of aluminum on microstructure, mechanical properties and wear performance of Fe–14%Mn–1.05%C manganese steel,Journal of Materials Research and Technology,Volume 15,2021,Pages 4768-4780,ISSN 2238-7854