无磁钢 知钢解密：无磁结构钢（发展及牌号）

在前一篇《识钢解密:无磁钢不仅是不锈钢餐具，也是辽宁船用的，我们对无磁钢的分类和使用做了简单介绍。

无磁钢根据使用性能可分为奥氏体无磁不锈钢和无磁结构钢。无磁不锈钢在上一篇文章《破译钢:无磁不锈钢，揭开中国军舰用无磁不锈钢》中已经有介绍，所以本期将深入介绍无磁结构。

非磁性结构钢多为铁锰非磁性钢。使用较高的锰和碳含量可以在室温下获得奥氏体组织，主要包括铁锰、铁锰铬和铁锰铝非磁性结构钢。

铁锰无磁结构钢

工业上使用的第一种奥氏体钢是由英国冶金学家罗伯特哈德菲尔德于1882年开发的含锰钢。其基本成分为11% ~ 14%的Mn和0.9% ~ 1.4%的c，经淬火后，该钢具有良好的强韧性匹配、高耐磨性和加工硬化能力，因而得到广泛应用。因此，这种含锰钢也被称为哈德菲尔德钢。

对于一些只要求高强度、高韧性、无磁性，但对不锈钢性能要求不高的零件，为了进一步降低这种非磁性结构钢的生产成本，通常只需要依靠足够的Mn和C含量来扩大奥氏体相面积，使奥氏体组织在室温下稳定。

在铁锰合金的基础上，逐渐发展出铁锰铬系、铁锰铝系等一系列高锰奥氏体非磁钢。

同时，北京钢铁学院对热轧或锻造后冷加工硬化和时效硬化的强化效果进行了专项研究，提出了综合利用冷加工硬化和时效硬化改善材料性能的方案，即锻造后半热锻或直接时效处理，通过冷加工变形在奥氏体晶粒中产生滑移带，改善碳化物的析出位置，使其更加均匀分散。

德国是最早独立研究和规范无磁钢的国家之一。德国钢铁协会推荐的Fe-Mn-C无磁钢牌号为X120Mn12和X35Mn18，并给出了相应的热加工和水淬温度。经过不同的热处理工艺后，无磁钢的屈服强度Rp0.2为250 MPa ~ 600 MPa，抗拉强度Rm为700 MPa ~ 900 MPa。

安赛乐米塔尔钢铁有限公司与泰森克虏伯钢铁有限公司合作开发了铁锰碳系高锰钢的冶炼工艺、成分设计和热加工处理，并成功商业化了铁-23Mn-0.6C高锰奥氏体钢板和钢带，室温屈服强度为599兆帕，抗拉强度为1162兆帕，均匀延伸率为52.8%

S.Allain等人提出了Fe-Mn-C奥氏体钢堆垛层错能的计算模型，并利用该模型准确预测了Fe-22MN-0.6C钢在不同温度下的变形机制。认为当堆垛层错能小于18 MJ/mol时，变形过程中会发生ε-马氏体相变。当堆垛层错能在12mj/mol ~ 35mj/mol之间时，变形过程中会产生变形孪晶。

O.Bouaziz等人介绍了铌、钒和钛的加入对铁-锰-碳冷轧退火奥氏体钢屈服强度增量的影响，认为当微合金元素的加入量小于0.1%时，强化效果为钛>钒>铌。

20世纪下半叶，由于电子信息产业的高速发展和发电机、电机组制造的大力推动，日本也对高锰无磁结构钢进行了大量的系统研究，发现Mn13钢韧性和焊接性较差，无磁且不稳定。认为应在此基础上开发高锰低碳无磁结构钢。Mn含量的增加有利于保证渗透率稳定在较低水平；降低碳含量有利于改善焊接性能，并大大降低非磁性结构钢的线膨胀系数。添加适量的铬可以提高钢的耐腐蚀性。

讨论了高强度低磁钢的强化方法和材料性能，包括高镍、高锰碳、高铬镍、高锰铬和高锰铬镍系列低磁钢。给出了低磁性铁锰碳和铁锰铬系列低磁钢的合金成分范围。在研究含钒低磁钢的过程中，发现加入钒可以使奥氏体无磁。时效过程中，细小VC分散析出，与母相的相容性导致内部应变场的产生，使屈服强度达到980MPa以上，并在一定程度上保持了基体的延展性和韧性，磁导率也保持在较低水平。

前苏联的研究人员也开发和应用了大量的非磁钢材料。在铁锰碳高锰无磁钢的研究中发现，当碳含量在0.9% ~ 1.2%之间，锰含量在22% ~ 30%之间时，随着碳和锰含量的增加，试验钢的力学性能得到改善，在4 K ~ 293 K的温度范围内磁导率降低..杜梅等人。通过热力学模型计算，研究了添加铜、铬、铝和硅对铁锰碳合金堆垛层错能的影响。结果表明，堆垛层错能随着铬含量的增加而降低。

铁锰铬无磁钢

Fe-Mn-Cr高锰无磁结构钢的典型合金成分为18Mn-4Cr，即W = 0.3% ~ 0.5%，W = 0.3% ~ 0.8%，W = 17.0% ~ 19.0%，W = 3.0，但工作环境中存在腐蚀性介质时容易发生应力腐蚀开裂。近30年来，已逐渐被无镍18Cr-18Mn-N无磁不锈钢取代，成为发电机护环的主要制造材料。

但前者由于Cr含量相对较低，不需要添加额外的N来稳定奥氏体，因此具有生产成本低、冶炼工艺相对简单的优点，因此在无腐蚀环境下仍可作为一种令人满意的非磁性钢结构材料使用。

K.希波什等人研究了奥氏体预变形对Fe-20mn-4cr-c钢力学性能和应变诱发马氏体相变的影响。结果表明，应变诱发的ε马氏体相变增加了钢在低温下的脆性断裂倾向。当温度为373K和773K时，奥氏体预变形后钢的拉伸性能显著提高。预变形产生的变形孪晶和位错亚结构阻碍了ε马氏体板条的生长，减少了拉伸变形过程中产生的ε马氏体数量，从而提高了钢的低温韧性。J.Kriz等研究了不同C、V含量的高锰奥氏体钢的沉淀硬化动力学，指出当V含量小于2.5%时，该钢可以通过沉淀硬化作为高强度低磁性材料使用，但强度和硬度会有所提高，而塑性会有一定程度的降低。550℃时效后，析出非常缓慢，可以忽略；650℃时效后，时效后0.5h内沉淀速度加快。

O.一、Balyts' Kyi总结了挡圈用18Mn-4Cr高强度无磁结构钢化学成分和力学性能的研究成果，指出一定量的Cr可以提高钢的屈服强度。18Mn-4Cr钢在550℃热处理时断裂韧性最低。当钢中v的含量为1.3 ~ 1.5%时，强韧性匹配达到最佳效果。对于40Mn18Cr4钢，冷拉伸变形不能强化，因为冷变形时有很强的形成α′马氏体的倾向，而热变形时变形孪晶受到约束，主要形成大量位错亚结构。

与40Mn18Cr4相比，50Mn18Cr4在变形过程中更容易形成变形孪晶，在550℃ ~ 950℃时效过程中碳化物沿奥氏体晶界析出。18Mn-4Cr钢在有水的情况下对腐蚀开裂更敏感，所以要尽量保证使用环境干燥。添加0.4%的铜可以提高奥氏体的稳定性，并使磁导率μ保持在1.003 ~ 1.01的范围内。

E.Gorkunov等人研究了室温下单轴拉伸和扭转变形后具有不同奥氏体稳定性的铁锰和铁锰铬非磁钢磁性能的演变。结果表明，与03Mn20和03Mn22Cr13钢相比，30Mn21Cr4无磁钢的奥氏体组织最稳定，室温拉伸变形时未形成α′马氏体，ε马氏体含量约为12%。指出原30Mn21Cr4无磁钢为抗磁性，磁化率为-6.5× 10-3。但随着剪切变形的增加，钢开始呈现顺磁性，磁化率达到4.3× 10-3，这与变形过程中产生的顺磁性ε马氏体数量有关。

日本神户制钢公司研制出易切削高锰无磁钢板KNM-295M。其主要成分为w=0.25%，w=25.0%，w=5.0%。该钢具有稳定的非磁性能，当冷变形达到40%时，其磁导率μ保持在1.002左右。钻井性能好，相当于传统的高碳钢、高锰钢无磁钢的30倍以上；线膨胀系数约为普通奥氏体不锈钢的2/3，适用于发电机、电动机、变压器等各种高压设备的结构材料。、以及钻孔量大的零件或没有热膨胀的零件。

此外，日本还研究了30种不同成分的低碳锰奥氏体超低温非磁钢，最佳成分为Mn35Cr5，在-170℃屈服强度为380MPa，延伸率为60%。但其屈服强度较低。如果采用控制轧制和冷却工艺，由于位错强化，钢的强度会提高，韧性会略有降低。

我国扣环用钢主要包括4个钢种，即40Mn18Cr4、50Mn18Cr4N、50mn 18 Cr 4n。变形强化后，Rp0.2可达1100MPa。此外，40Mn18Cr3和55Mn18Cr3两种大型发电机护环用仿无磁结构钢，主要用作半热锻变形强化工艺制造的护环材料。将40Mn18Cr3钢中的碳含量提高到0.45% ~ 0.65%，可有效提高变形强化率。半热锻的最佳温度范围为550℃ ~ 600℃，变形量为30%。此时，变形强化模式为滑移、块体运动和蠕变同时发生。

马张茹和王世良研究了铁锰碳和铁锰铬合金中的马氏体相变。通过反复高温淬火过程，发现γ→ ε马氏体相的形变核位置是遗传的，这直接证明该相成为异相成核，在反复相变过程中ε马氏体的数量发生显著变化，但铁磁相α′马氏体的数量几乎不变。王敏等人开发了50Mn18Cr4V作为电机专用低磁材料，通过合理的热处理制度形成均匀分散的VC沉淀，使材料的屈服强度、抗拉强度和相对磁导率分别达到800MPa、1200MPa和1.02。

铁锰铝无磁钢

20世纪30年代，锰代替镍、铝代替铬的铁锰铝碳合金被提出，作为在无腐蚀环境下更昂贵的铬镍奥氏体不锈钢的部分替代品。由于它具有高强度、无磁性、抗氧化、耐腐蚀、低密度和低成本等一系列优点，受到了世界各国材料科学研究者的广泛重视。

1958年，汉姆和凯恩斯研究了合金成分为Fe-34Mn-10Al-0.76C的超高Mn-Al-C钢，其抗拉强度达到750MPa，延伸率达到70%。

Sato等人。1989年对Fe-20/30mn-0/7al奥氏体钢在-196℃ ~ 25℃范围内变形后的显微组织进行了研究，发现钢中加入al会抑制γ→ ε的马氏体相变，促进变形过程中变形孪晶的形成。

实验结果表明，当堆垛层错能γ约为20mJ/m2时，锰和铝含量较高的钢更容易形成形变孪晶，而不是γ→ε马氏体相变。

随着汽车工业的快速发展和未来汽车制造业向轻量化、安全化和低能耗方向发展，铁锰铝碳钢已被主要设想作为高强度汽车钢板开发和应用。因此，各国对Fe-Mn-Al-C合金的研究工作主要集中在堆垛层错能、力学性能的提高以及变形过程中的变形孪晶和γ→ε马氏体转变等变形机制上，而对其非磁性能的研究较少。

20世纪60年代，张延生和石长旭提出用更高锰含量的镍代替奥氏体稳定化，并加入少量铝抑制γ→ε马氏体转变。在制备30种不同成分的铁锰铝高锰奥氏体钢的基础上，对其显微组织、高低温瞬时力学性能、时效性能和抗氧化性进行了研究，指出应选用合适的碳、硅元素、22% ~ 25%的锰和2.5%的锰。

对铁锰和铁锰铝高锰奥氏体钢的深入研究主要集中在20世纪80年代和90年代。不仅对它们的低温断裂行为进行了系统的研究，而且对磁转变、低温组织和力学行为、变形和开裂机理、组织稳定性和变形硬化行为等重要问题进行了深入的探讨。李依伊等人系统地研究了Fe-Mn-Al体系的相图，证实了高锰奥氏体钢中反铁磁相变点的存在，并观察了这类合金中ε-马氏体堆垛层迭的极轴形核和生长机制，不仅为超低温高强度无磁钢的开发提供了科学依据，而且对低温钢的合金化和马氏体相变的研究也具有重要意义。

15Mn26Al4低温无磁钢具有一定的强度、韧性和耐蚀性，但最重要的是具有良好的奥氏体结构稳定性，在液氢温度下使用不会产生α′马氏体转变，也不会因变形诱发ε马氏体转变，使钢变脆。在Fe-25mn钢中，铝含量提高到4%可以完全避免α′马氏体和ε马氏体转变。研究了不同变形量、固溶、时效和负温度处理对15Mn26Al4非磁钢磁导率μ的影响。发现μ值随着变形量的增加而缓慢增加。在老化和负温度处理下，μ值无明显变化，一般不超过1.005。15Mn26Al4无磁钢不含Cr和Ni，室温力学性能相当于1Cr18Ni9Ti无磁不锈钢，屈服强度略高，但耐蚀性较差。20Mn23Al无磁钢在较宽的温度范围内具有稳定的单相奥氏体组织，易于切割和焊接，表面质量优于15Mn26Al4，因此生产成本较低。

30Mn20Al3和30Mn23Al4Cr5两个钢种是由中国科学院金属研究所张延生开发的低温无磁钢。30Mn20Al3无磁钢与1Cr18Ni9Ti不锈钢相比，具有更高的强度和塑性，更好的奥氏体稳定性，更低的磁导率和更高的电阻率，成本仅为其1/3左右。可在-196℃下使用，仍保持较高的低温性能，在低耐蚀性要求的场合完全可以替代1Cr18Ni9Ti无磁不锈钢。

研究发现，铝能抑制铁锰合金中γ→ε和γ→ε→α′相的转变，降低马氏体转变温度，碳对稳定奥氏体的作用更为显著。30Mn23A14Cr5无磁钢具有较高的低温韧性，较稳定的低温奥氏体组织，时效脆化倾向小，可用于超导、低温工程等领域。

秦小梅等研究了30Mn20Al3无磁钢冷轧薄板在1000℃和800℃固溶处理后的拉伸变形加工硬化行为和显微组织变化。当钢的变形较小时，滑移是主要的变形机制；随着变形量的增加，变形机制主要是变形孪晶、位错和变形孪晶之间的相互作用。

1000℃固溶处理后的晶粒尺寸大于800℃固溶处理后的晶粒尺寸，变形过程中产生了更多的变形孪晶。随着变形量的增加，变形孪晶可以不断形成，表现出很强的TWIP效应。铁锰非磁性结构钢不含或少含镍和铬元素，不仅具有优异的力学性能，而且生产成本低，工艺相对简单，具有良好的市场发展前景。

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