高錳鋼（Hadfield steel）作為最重要的耐磨材料之一，被廣泛應(yīng)用在礦山、冶金、水泥、電力、建材、鐵路、海工等國家關(guān)鍵行業(yè)中。它在面臨沖擊磨損過程中 的強沖擊和大壓力等問題時表現(xiàn)出的優(yōu)異耐磨性，是其他材料難以比擬的。這主要歸功于高錳鋼出色的加工硬化能力，然而也正是需要依靠加工硬化，使得高錳鋼在低應(yīng)力磨損條件下服役效果不理想。同時，“雙碳”戰(zhàn)略目標要求高端粉磨破碎裝備具備運轉(zhuǎn)高效化及低能耗化，關(guān)鍵核心耐磨構(gòu)件材料的輕量化是重要途徑之一。為實現(xiàn)高錳鋼的輕量化效果，鋁元素被考慮添加到高錳鋼中，并配合合適的熱處理與人工時效強化，可以進一步提升低密度高錳鋼的力學性能。但是如何調(diào)控鋁元素含量并配合后續(xù)熱處理工藝制度是一個比較復(fù)雜的問題，長期以來受到國內(nèi)外學者關(guān)注。

　　近期，針對上述問題，廣東省科學院新材料研究所（以下簡稱省科學院新材料所）先進鋼鐵研究團隊聯(lián)合香港生產(chǎn)力促進局及烏克蘭國家科學院合金物理工藝研究所，深入開展了低密度高錳鋼的元素與熱處理制度設(shè)計、性能優(yōu)化及變形與斷裂機制等方面的研究。結(jié)果表明，鋁元素的加入能夠顯著降低高錳鋼的密度，當加入量達到11 wt.%時，高錳鋼的密度下降幅度達到13.3%。在組織方面，鋁元素對高錳鋼奧氏體晶粒有一定的細化作用，可帶來一定程度的細晶強化效果；隨著更多鋁元素的加入，鋼基體中開始出現(xiàn)明顯的鐵素體第二相。更重要的是，高錳鋼的屈服強度可由最初的504MPa提升到870MPa，極大提升了高錳鋼的抗變形能力。進一步分析發(fā)現(xiàn)，高錳鋼的變形機制和斷裂機制均發(fā)生了改變：由于鋁加入對短程有序結(jié)構(gòu)的促進，位錯滑移機制由波狀滑移向平面滑移轉(zhuǎn)變；而通過調(diào)整高錳鋼中鋁元素含量，可以調(diào)控高錳鋼強韌化機制從孿生誘發(fā)強化轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃螏娀?；結(jié)合后續(xù)高溫水韌處理配合低溫人工時效熱處理，引入納米級κ-碳化物析出相可以提升材料表面硬度，不過鐵素體第二相的析出促進了錳鋼在變形過程中裂紋的形成、形核和擴展，導(dǎo)致材料易出現(xiàn)脆性斷裂。該研究結(jié)果證實了通過鋁元素添加實現(xiàn)低密度耐磨鋼設(shè)計的可能性，并有望拓展耐磨高錳鋼在低應(yīng)力磨損工況下服役的應(yīng)用。

圖1  鋁含量對低密度高錳鋼拉伸與加工硬化性能的影響規(guī)律

　　相關(guān)研究成果發(fā)表于材料科學領(lǐng)域期刊《Materials Science and Engineering: A》（中科院1區(qū)Top），省科學院新材料所鄭志斌博士為論文第一作者，香港生產(chǎn)力促進局楊浩坤博士為論文通訊作者。研究工作得到了廣東省國際科技合作項目 （2021A0505030051）、國家重點研發(fā)計劃項目（2021YFB3701704）、廣東省科學院發(fā)展專項（2022GDASZH-2022010103）及廣州市青年科技人才托舉項目（QT20220101075）等的支持。

圖2 不同鋁含量對低密度高錳鋼強韌化機制與析出相強化的影響規(guī)律

　　原文鏈接：

　　https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.144467

　　https://doi.org/10.1007/s41230-022-2004-3

　　https://doi.org/10.1002/srin.202200191

　　https://doi.org/10.1007/s42243-021-00688-x

（省科學院新材料所/供稿）