無(wú)磁鋼按使用性能劃分，可分為奧氏體無(wú)磁不銹鋼和無(wú)磁結(jié)構(gòu)鋼.
無(wú)磁結(jié)構(gòu)鋼多采用Fe－Mn系無(wú)磁鋼，主要利用較高的Mn、C含量在室溫即獲得奧氏體組織，主要包括Fe－Mn、Fe－Mn－Cr和Fe－Mn－Al系無(wú)磁結(jié)構(gòu)鋼。
Fe－Mn系無(wú)磁結(jié)構(gòu)鋼
工業(yè)上曾使用的第一種奧氏體鋼是1882年英國(guó)冶金學(xué)家RobertHadfield所開(kāi)發(fā)的一種含錳鋼，基本成分為11%～14%Mn，0.9%～1.4%C，該鋼水淬后因具有良好的強(qiáng)度和韌性匹配，以及較高的耐磨性和加工硬化能力，得以廣泛應(yīng)用，因此這種含錳鋼也被命名為Hadfield鋼。
對(duì)于一些只要求高強(qiáng)高韌、無(wú)磁性而對(duì)不銹性能要求不高的零部件，為進(jìn)一步降低這類(lèi)無(wú)磁結(jié)構(gòu)鋼的生產(chǎn)成本，通常只依靠足夠的Mn和C(或N)含量來(lái)擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，穩(wěn)定室溫奧氏體組織。
在Fe－Mn系合金的基礎(chǔ)上，又逐漸發(fā)展出Fe－Mn－Cr系、Fe－Mn－Al系等多個(gè)系列的高錳奧氏體無(wú)磁鋼。
與此同時(shí)，北京鋼鐵學(xué)院針對(duì)強(qiáng)化無(wú)鎳Fe－Mn和Fe－Mn－Cr系高錳無(wú)磁鋼經(jīng)過(guò)熱軋或熱鍛后利用冷加工硬化和時(shí)效硬化的強(qiáng)化效果及其對(duì)磁導(dǎo)率的影響進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)研究，提出冷加工硬化和時(shí)效硬化綜合利用提高材料性能的方案，即采用半熱鍛(溫加工)或鍛后直接時(shí)效處理，通過(guò)冷加工變形使奧氏體晶粒內(nèi)部產(chǎn)生滑移帶，改善碳化物的析出部位，使其更加均勻彌散，以獲得良好的強(qiáng)塑性匹配。
德國(guó)是最早對(duì)無(wú)磁鋼進(jìn)行研究并且將無(wú)磁鋼單獨(dú)標(biāo)準(zhǔn)化的國(guó)家之一，德國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)推薦的Fe－Mn－C系無(wú)磁鋼牌號(hào)為X120Mn12和X35Mn18，并給出了相應(yīng)的熱加工和水淬溫度，經(jīng)過(guò)不同的熱處理工藝，得到無(wú)磁鋼的屈服強(qiáng)Rp0.2為250MPa～600MPa，抗拉強(qiáng)度Rm為700MPa～900MPa，延伸率A為30%～40%，磁導(dǎo)率μ≤1.03，經(jīng)冷變形強(qiáng)化后，磁導(dǎo)率μ升高到1.05～1.10。
阿塞洛米塔爾(ArcelorMittal)鋼鐵公司與蒂森－克虜伯(TyhssenKrupp)鋼鐵公司合作開(kāi)發(fā)Fe－Mn－C系高錳鋼的冶煉工藝、成分設(shè)計(jì)和熱加工處理等技術(shù)，成功將Fe-23Mn-0.6C高錳奧氏體鋼板帶材商業(yè)化，室溫屈服強(qiáng)度599MPa，抗拉強(qiáng)度1162MPa，均勻延伸率達(dá)52.8%。
S.Allain等提出了Fe－Mn－C系奧氏體鋼的層錯(cuò)能計(jì)算模型，利用該模型準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了Fe－22Mn－0.6C鋼在不同溫度下的變形機(jī)制，認(rèn)為當(dāng)層錯(cuò)能≤18mJ/mol時(shí)，變形過(guò)程將發(fā)生ε－馬氏體相變;當(dāng)層錯(cuò)能在12mJ/mol～35mJ/mol時(shí)，變形過(guò)程中將產(chǎn)生形變孿晶。
O.Bouaziz等介紹了Nb、V、Ti的添加對(duì)于Fe－(17～22)Mn－(0.6～0.9)C冷軋和退火奧氏體鋼屈服強(qiáng)度增量的影響，認(rèn)為當(dāng)微合金元素添加量＜0.1%時(shí)，強(qiáng)化效果Ti＞V＞Nb。
在20世紀(jì)后半葉，由于電子信息產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展和發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)組制造產(chǎn)生的強(qiáng)有力的推動(dòng)作用，日本對(duì)高錳無(wú)磁結(jié)構(gòu)鋼也進(jìn)行過(guò)大量系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)Mn13鋼的韌性和焊接性差，無(wú)磁性也不穩(wěn)定，認(rèn)為應(yīng)該在此基礎(chǔ)上發(fā)展高M(jìn)n低C無(wú)磁結(jié)構(gòu)鋼。Mn含量提高有利于保證磁導(dǎo)率穩(wěn)定且處于較低水平;降低C含量有利于改善焊接性能，同時(shí)大大降低無(wú)磁結(jié)構(gòu)鋼的線膨脹系數(shù);加入適量的Cr可提高鋼材的耐蝕性。
行方二郎對(duì)高強(qiáng)度低磁鋼，包括高Ni、高M(jìn)n－C、高Cr－Ni、高M(jìn)n－Cr以及高M(jìn)n－Cr－Ni系低磁鋼的強(qiáng)化方法及其材料性能進(jìn)行了論述，給出了Fe－Mn－C和Fe－Mn－Cr系低磁鋼保持低磁性的合金成分范圍，并在研究含V低磁鋼過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，添加V能使奧氏體無(wú)磁鋼呈現(xiàn)顯著的析出硬化現(xiàn)象，與Nb、Ti等其它微合金元素相比，V的碳化物更容易高溫固溶于奧氏體基體。時(shí)效過(guò)程中微細(xì)的VC彌散析出，與母相之間的共格性導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)變場(chǎng)的產(chǎn)生，使屈服強(qiáng)度達(dá)到980MPa以上，同時(shí)使基體的延性和韌性維持在一定程度，磁導(dǎo)率也保持在較低水平。
前蘇聯(lián)研究人員也開(kāi)發(fā)和應(yīng)用了大量的無(wú)磁鋼鐵材料，針對(duì)Fe－Mn－C系高錳無(wú)磁鋼的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)C含量在0.9%～1.2%，Mn含量在22%～30%之間時(shí)，隨著C、Mn含量的增加，實(shí)驗(yàn)鋼在4K～293K溫度區(qū)間的力學(xué)性能得到提高，磁導(dǎo)率降低。A.Dumay等通過(guò)熱力學(xué)模型計(jì)算，研究了Cu、Cr、Al和Si的添加對(duì)于Fe－Mn－C系合金的層錯(cuò)能的影響規(guī)律，結(jié)果表明隨著Cr含量的提高，層錯(cuò)能下降。
Fe－Mn－Cr系無(wú)磁鋼
Fe－Mn－Cr系高錳無(wú)磁結(jié)構(gòu)鋼的典型合金成分為18Mn－4Cr，即w(C)=0.3%～0.5%、w(Si)=0.3%～0.8%、w(Mn)=17.0%～19.0%、w(Cr)=3.0%～5.0%、w(P)≤0.04%、w(S)≤0.03%，因其良好的力學(xué)性能，曾一度作為大型發(fā)電機(jī)護(hù)環(huán)用無(wú)磁結(jié)構(gòu)鋼，但當(dāng)工作環(huán)境中存在腐蝕性介質(zhì)(包括普通水)時(shí)容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，近30年來(lái)逐步被不含Ni的18Cr－18Mn－N無(wú)磁不銹鋼取代作為發(fā)電機(jī)護(hù)環(huán)的主要制造材料。
然而，前者由于Cr含量相對(duì)較低而且不需要額外添加N來(lái)穩(wěn)定奧氏體，具有生產(chǎn)成本低廉，冶煉工藝相對(duì)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，所以仍可用作無(wú)腐蝕環(huán)境下令人滿意的無(wú)磁鋼鐵結(jié)構(gòu)材料。
K.Sipos等對(duì)奧氏體預(yù)變形對(duì)于Fe－20Mn－4Cr－C鋼力學(xué)性能的影響和應(yīng)變誘導(dǎo)馬氏體相變進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，應(yīng)變誘導(dǎo)ε馬氏體相變?cè)黾愉摬牡牡蜏卮嘈詳嗔褍A向。當(dāng)溫度為373K和773K時(shí)，對(duì)奧氏體進(jìn)行預(yù)變形后，鋼的拉伸性能顯著提高。預(yù)變形產(chǎn)生的形變孿晶和位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)對(duì)ε馬氏體板條的生長(zhǎng)起阻礙作用，減少了拉伸變形過(guò)程中ε馬氏體的生成數(shù)量，從而提高了鋼的低溫韌性。J.Kriz等針對(duì)不同C和V含量的高錳奧氏體鋼(Mn18Cr4Ni)的析出硬化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究，指出當(dāng)V含量＜2.5%時(shí)，該鋼可以通過(guò)析出硬化作為高強(qiáng)度低磁材料使用，但強(qiáng)度硬度提高的同時(shí)，塑性會(huì)有一定程度的降低。550℃時(shí)效，析出十分緩慢，可以忽略;650℃時(shí)效，在時(shí)效開(kāi)始0.5h之內(nèi)，析出就會(huì)以較高速率進(jìn)行。
O.I.Balyts＇kyi綜述了各國(guó)關(guān)于18Mn－4Cr高強(qiáng)度護(hù)環(huán)用無(wú)磁結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能的研究結(jié)果，指出一定量的Cr能提高鋼的屈服強(qiáng)度。18Mn－4Cr鋼在550℃熱處理時(shí)，斷裂韌性達(dá)到最低值。當(dāng)鋼中V含量在1.3～1.5%時(shí)，強(qiáng)度和韌性的匹配達(dá)到最佳效果。對(duì)于40Mn18Cr4鋼，不能通過(guò)冷拉伸變形進(jìn)行強(qiáng)化，因?yàn)樵诶渥冃芜^(guò)程中具有強(qiáng)烈地形成α＇馬氏體的傾向，而熱變形過(guò)程中，形變孿晶受到抑制，主要形成大量的位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)。
與40Mn18Cr4相比，50Mn18Cr4變形過(guò)程中更易形成形變孿晶，在550℃～950℃時(shí)效過(guò)程中，碳化物沿奧氏體晶界析出。18Mn－4Cr鋼在有水存在環(huán)境下對(duì)腐蝕開(kāi)裂更為敏感，應(yīng)盡力保證服役環(huán)境的干燥。加入0.4%Cu能增加奧氏體的穩(wěn)定性，使磁導(dǎo)率μ值保持在1.003～1.01范圍內(nèi)。
E.S.Gorkunov等研究了具有不同奧氏體穩(wěn)定性的Fe－Mn和Fe－Mn－Cr系無(wú)磁鋼經(jīng)過(guò)室溫單向拉伸和扭轉(zhuǎn)變形后磁學(xué)性能的演變。結(jié)果表明，與03Mn20、03Mn22Cr13鋼相比，30Mn21Cr4無(wú)磁鋼中奧氏體組織最為穩(wěn)定，室溫拉伸變形中不形成α＇馬氏體，生成的ε馬氏體的含量約為12%。并指出原始狀態(tài)的30Mn21Cr4無(wú)磁鋼為抗磁性，磁化率為－6.5×10－3，但隨著剪切變形量的逐漸增大，該鋼開(kāi)始表現(xiàn)順磁性，磁化率達(dá)到4.3×10－3，這與變形過(guò)程中生成的順磁性的ε馬氏體的數(shù)量有關(guān)。
日本神戶鋼鐵公司開(kāi)發(fā)了一種易切削的高錳無(wú)磁鋼板KNM－295M，其主要成分為w(C)=0.25%、w(Mn)=25.0%、w(Cr)=5.0%，該鋼無(wú)磁性能穩(wěn)定，當(dāng)冷變形達(dá)到40%時(shí)，磁導(dǎo)率μ值仍保持在1.002左右;鉆孔性能良好，相當(dāng)于傳統(tǒng)高C高M(jìn)n無(wú)磁鋼的30倍以上;線膨脹系數(shù)相當(dāng)于普通奧氏體不銹鋼的2/3左右，適合應(yīng)用于各種發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器等強(qiáng)電設(shè)備的結(jié)構(gòu)材料以及鉆孔量大的部件或不希望出現(xiàn)熱伸縮的部件。
另外，日本研究了30種不同成分的低碳錳系奧氏體極低溫?zé)o磁鋼，最佳成分牌號(hào)為Mn35Cr5，在－170℃時(shí)屈服強(qiáng)度380MPa，伸長(zhǎng)率為60%?？善淝?qiáng)度較低，如果采用控軋控冷工藝，由于位錯(cuò)強(qiáng)化，可使該鋼強(qiáng)度提高，韌性略有下降。
中國(guó)護(hù)環(huán)用鋼主要包括4個(gè)鋼號(hào)，即40Mn18Cr4、50Mn18Cr4、50Mn18Cr4N、50Mn18Cr4WN，經(jīng)變形強(qiáng)化后，Rp0.2可達(dá)1100MPa。此外，40Mn18Cr3和55Mn18Cr3兩種仿制的大型發(fā)電機(jī)護(hù)環(huán)用無(wú)磁結(jié)構(gòu)鋼主要作為利用半熱鍛形變強(qiáng)化工藝制造護(hù)環(huán)材料，將40Mn18Cr3鋼中C含量提高到0.45%～0.65%，可使形變強(qiáng)化率得到有效改善。其半熱鍛最佳溫度區(qū)間為550℃～600℃，變形量為30%，此時(shí)的形變強(qiáng)化方式以滑移、塊移和蠕變?nèi)N方式同時(shí)進(jìn)行。
馬如璋和王世亮對(duì)Fe－Mn－C和Fe－Mn－Cr系合金中馬氏體相變進(jìn)行了研究。通過(guò)反復(fù)高溫淬火工藝，發(fā)現(xiàn)γ→ε馬氏體相變形核地點(diǎn)具有繼承性，直接證明了此相變?yōu)榉蔷鶆蛐魏?，并且在反?fù)相變過(guò)程中，ε馬氏體數(shù)量顯著變化，但鐵磁性相α＇馬氏體的數(shù)量幾乎不變。王敏等開(kāi)發(fā)了50Mn18Cr4V作為電機(jī)專(zhuān)用低磁材料，通過(guò)合理的熱處理制度形成均勻彌散的VC析出物，使材料的屈服強(qiáng)度最高達(dá)到800MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1200MPa，相對(duì)磁導(dǎo)率低于1.02。
Fe－Mn－Al系無(wú)磁鋼
20世紀(jì)30年代，提出以錳代鎳，以鋁代鉻的Fe－Mn－Al－C系合金，是作為非腐蝕環(huán)境下部分替代較為昂貴的Cr－Ni系奧氏體不銹鋼而產(chǎn)生的。由于具有高強(qiáng)度、無(wú)磁性、抗氧化、耐腐蝕、低密度和低成本等一系列優(yōu)點(diǎn)而受到世界各國(guó)材料科學(xué)研究者的普遍重視。
1958年，Ham及Cairns等研究了合金成分為Fe－34Mn－10Al－0.76C的超高M(jìn)n－Al－C鋼，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到750MPa，同時(shí)延伸率達(dá)到了70%。
Sato等于1989年研究了Fe－20/30Mn－0/7Al奧氏體鋼在－196℃～25℃范圍內(nèi)的變形后的微觀組織，發(fā)現(xiàn)鋼中Al的加入將會(huì)抑制γ→ε的馬氏體相變，同時(shí)促進(jìn)了變形過(guò)程中形變孿晶的形成。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，具有較高M(jìn)n含量以及Al含量的鋼種在層錯(cuò)能γ大約在20mJ/m2時(shí)變形過(guò)程中更容易形成形變孿晶而不是γ→ε的馬氏體相變。
隨著汽車(chē)工業(yè)的飛速發(fā)展以及未來(lái)汽車(chē)制造正朝著輕量化、安全性和低能耗的方向發(fā)展，F(xiàn)e－Mn－Al－C鋼一直以來(lái)主要設(shè)想作為高強(qiáng)汽車(chē)鋼板開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，因此，各國(guó)對(duì)于Fe－Mn－Al－C系合金的研究工作主要集中在層錯(cuò)能、力學(xué)性能提高和變形過(guò)程中發(fā)生的形變孿晶、γ→ε馬氏體相變等變形機(jī)制的探討，而對(duì)其無(wú)磁性能的研究相對(duì)較少。
20世紀(jì)60年代，張彥生、師昌緒提出以較高的Mn含量替代Ni來(lái)穩(wěn)定奧氏體，并加入少量Al抑制γ→ε馬氏體相變，在配制30個(gè)不同成分的Fe－Mn－Al系高錳奧氏體鋼的基礎(chǔ)上研究了其組織結(jié)構(gòu)、高低溫瞬時(shí)力學(xué)性能、時(shí)效性能及抗氧化性能，并指出利用適量的C、Si元素，22%～25%Mn和2.5%～4%Al的合金成分范圍發(fā)展低溫?zé)o磁鋼的可能性。
對(duì)Fe－Mn及Fe－Mn－Al系高錳奧氏體鋼的深入研究主要集中在二十世紀(jì)八十至九十年代，不僅其低溫?cái)嗔研袨檫M(jìn)行了系統(tǒng)的研究，而且還深入地探討了系列高錳奧氏體鋼的磁性轉(zhuǎn)變、低溫組織和力學(xué)行為、變形及開(kāi)裂機(jī)制、組織穩(wěn)定性及形變硬化行為等重要問(wèn)題。李依依等對(duì)Fe－Mn－Al系相圖的系統(tǒng)研究，證實(shí)高錳奧氏體鋼中反鐵磁轉(zhuǎn)變點(diǎn)的存在，觀察到此類(lèi)合金中ε－馬氏體層錯(cuò)重疊的極軸形核長(zhǎng)大機(jī)制，這不僅為發(fā)展超低溫高強(qiáng)無(wú)磁鋼提供了科學(xué)依據(jù)，而且對(duì)低溫鋼的合金化和馬氏體相變的研究具有重要意義。
15Mn26Al4低溫?zé)o磁鋼具有一定的強(qiáng)度、韌性和耐蝕性，但最主要的是具有較好的奧氏體組織穩(wěn)定性，在液氫溫度下使用不至于發(fā)生α＇馬氏體型相變，也不會(huì)因形變而誘導(dǎo)產(chǎn)生ε馬氏體相變，使鋼材變脆。在Fe－25Mn鋼中，將Al含量提高到4%，則可以完全避免α＇馬氏體和ε馬氏體相變。研究15Mn26Al4無(wú)磁鋼在不同變形量(17%、26%、36%、47%)、固溶、時(shí)效和負(fù)溫處理(－170℃)對(duì)磁導(dǎo)率μ的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著變形量的增加，μ值緩慢增加;時(shí)效和負(fù)溫處理狀態(tài)下，μ值無(wú)明顯變化，一般不超過(guò)1.005。15Mn26Al4無(wú)磁鋼不含Cr和Ni，室溫力學(xué)性能與1Cr18Ni9Ti無(wú)磁不銹鋼相當(dāng)，屈服強(qiáng)度稍高，但耐腐蝕性能較差。20Mn23Al無(wú)磁鋼在較寬的溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的單相奧氏體組織，易于切削和焊接，表面質(zhì)量?jī)?yōu)于15Mn26Al4，因此生產(chǎn)成本更低。
30Mn20Al3和30Mn23Al4Cr5兩個(gè)鋼種為中科院金屬研究所張彥生等研制開(kāi)發(fā)的低溫?zé)o磁鋼。與1Cr18Ni9Ti不銹鋼相比，30Mn20Al3無(wú)磁鋼的強(qiáng)度和塑性較高，奧氏體穩(wěn)定性較好，磁導(dǎo)率低而電阻率高，成本只有其1/3左右，可在－196℃使用仍保持較高的低溫性能，在對(duì)耐蝕性要求不高的場(chǎng)合能夠完全替代1Cr18Ni9Ti無(wú)磁不銹鋼。
在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e－Mn合金中加入Al可以抑制γ→ε及γ→ε→α＇相的轉(zhuǎn)變，使馬氏體轉(zhuǎn)變溫度降低，同時(shí)C對(duì)于穩(wěn)定奧氏體的作用更為顯著。而30Mn23A14Cr5無(wú)磁鋼的低溫韌性較高，低溫奧氏體組織更為穩(wěn)定，時(shí)效變脆傾向很小，可應(yīng)用于超導(dǎo)、低溫工程等領(lǐng)域。
秦小梅等研究了30Mn20Al3無(wú)磁鋼冷軋板經(jīng)1000℃和800℃固溶處理后的拉伸變形加工硬化行為和組織結(jié)構(gòu)變化。該鋼在變形量較小時(shí)，以滑移為主要變形機(jī)制;隨著變形量增大，變形機(jī)制以形變孿晶與位錯(cuò)及形變孿晶之間的交互作用為主。
經(jīng)1000℃固溶處理的晶粒尺寸較800℃的大，變形過(guò)程中產(chǎn)生的形變孿晶較多，且隨著變形量增加，形變孿晶可持續(xù)形成，表現(xiàn)出較強(qiáng)的TWIP效應(yīng)。Fe－Mn系無(wú)磁結(jié)構(gòu)鋼因其不含或含有較少的Ni、Cr元素，不但力學(xué)性能優(yōu)良，而且生產(chǎn)成本低廉，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，具有良好的市場(chǎng)發(fā)展前景。
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