间隙碳/氮含量对含铬高锰钢微观组织及拉伸变形行为的影响机制研究

为解决高锰奥氏体钢(high-Mn austenitic steel)在强度-塑性协同提升的难题，研究人员系统研究了C/N含量对Fe-18Mn-7Cr钢变形孪晶(twinning)和位错演化的调控机制。发现氮合金化通过提高层错能(SFE)抑制早期孪生，促进位错平面滑移(planar slip)，而碳增加则强化位错积累。C0.6N0.2钢通过持续孪生和氮诱导高位错密度实现强塑性同步提升，为高锰钢成分设计提供理论依据。

　　

在轨道交通、汽车制造和低温容器等领域，高锰奥氏体钢(high-Mn austenitic steel)因其优异的强度-塑性平衡、耐磨性和能量吸收能力备受青睐。这类钢的核心优势在于变形过程中能持续形成孪晶(twinning)，通过动态Hall-Petch效应提升性能。然而学术界对孪晶在应变硬化(strain hardening)中的贡献长期存在争议——有研究认为其作用被高估，位错密度(dislocation density)才是关键因素。更棘手的是，工业应用对材料性能的要求日益严苛，如何在提升强度的同时保持高塑性成为亟待突破的瓶颈。

针对这一挑战，国内燕山大学的研究团队选择Fe-18Mn-7Cr-(0.6–0.7)C-(0～0.2)N体系，通过精确调控间隙原子含量，揭示了碳/氮对微观组织演化和力学性能的差异化影响机制。相关成果发表在材料科学领域权威期刊《Materials Science and Engineering: A》上。

研究采用真空感应熔炼制备三种成分钢(C0.6、C0.6N0.2、C0.7N0.2)，结合电子背散射衍射(EBSD)、透射电镜(TEM)等表征手段，系统分析变形过程中的孪晶/位错演变。通过第一性原理计算从原子尺度阐释碳氮作用差异，并采用热力学模型定量计算层错能(SFE, stacking fault energy)。

初始微观结构显示三组试验钢均为完全再结晶组织，平均晶粒尺寸62-68μm，氮添加使退火孪晶界比例从35%增至45%。微观结构演化部分发现：氮合金化使SFE从21mJ/m²(C0.6)升至25mJ/m²(C0.6N0.2)，显著抑制变形初期孪晶形成；而碳增加至0.7%时SFE进一步升至28mJ/m²。TEM观测证实C0.6N0.2钢通过延迟孪生启动，使孪晶行为可持续至更高应变，同时氮引发的局部晶格畸变促进位错平面滑移，形成超高密度位错结构(>10¹⁵ m^-2)。

力学性能测试表明：相比C0.6钢(YS 280MPa，UTS 640MPa)，C0.6N0.2钢的屈服强度和抗拉强度分别提升至320MPa和710MPa，延伸率仍保持80%以上。这种"双高"特性源于氮诱导的持续孪生与高位错密度协同作用，使应变硬化率曲线呈现独特"三阶段"特征。而C0.7N0.2钢因碳含量增加导致后期塑性失稳，虽强度继续提升至750MPa，但延伸率略有下降。

第一性原理计算揭示本质机制：氮原子在奥氏体中的固溶能(-0.83eV)显著低于碳(-0.21eV)，表明氮更易偏聚于缺陷处；氮引起的局部电子密度重排程度(0.12|e|/?³)是碳的1.7倍，这解释了氮对位错运动的更强阻碍作用。

该研究创新性地阐明：氮通过提高SFE调控孪生行为的时间维度，而碳主要影响位错积累的空间维度，二者协同可实现性能的梯度调控。这一发现不仅深化了对TWIP(Twinning Induced Plasticity)效应本质的认识，更为开发新一代高性能高锰钢提供了明确的成分设计思路——通过精确控制C/N比例，可针对性优化材料的强塑性匹配，满足不同工程场景需求。研究还解决了长期争议的学术问题，证实位错密度与孪晶行为的时空协调才是高锰钢优异性能的根本来源。