利用集成表面热机械处理和冷轧技术在AISI 1010钢中制备梯度微结构

《Results in Materials》：Development of Gradient Microstructures in AISI 1010 Steel Using Integrated Surface Thermomechanical Treatment and Cold Rolling

表面热力学机械处理（STMP）协同冷轧工艺对AISI 1010钢梯度显微结构与力学性能的影响研究。通过调节 Traverse速度（25-125 mm/min）进行STMP处理，发现低速（25 mm/min）下热输入增加导致表层细小等轴铁素体（0.25 μm→1.61 μm）粗化并析出沿晶界分布的渗碳体，硬度从298.3 HV降至203.96 HV，强度（YS/UTS）同步下降，但50 mm/min时韧性达峰值108.9 MJ/mm3。显微组织演变表现为动态再结晶（DRX）主导表层，静态再结晶（SRX）在深层起作用，形成梯度硬度与韧性分布。

　　本研究围绕冷轧后的AISI 1010钢薄板在不同横向速度下进行表面热机械处理（STMP）后的微观结构和机械性能变化展开。通过分析STMP对材料的影响，研究人员发现，这一处理方式能够显著改变钢板表面的组织结构，使其从原本的长条状铁素体和珠光体转变为更细小、等轴分布的铁素体晶粒，并在晶界处形成碳化物析出。这些变化不仅体现在微观结构上，也对材料的硬度、强度以及韧性等宏观性能产生了深远影响。

AISI 1010是一种低合金钢，其碳含量约为0.105%，硅、锰等元素含量也相对较低。这类材料通常用于通用工程领域，但在经过STMP处理后，其性能可以得到显著提升。通过冷轧和STMP的结合，研究人员能够实现一种梯度微结构，这种结构在材料表面具有更高的强度和硬度，而在内部则保留了较高的延展性和韧性。这种梯度微结构的形成是通过在表面施加特定的热机械处理，使得材料的表面区域经历强烈的塑性变形和热输入，从而促进动态再结晶（DRX）过程，而内部区域则由于热输入不足，主要依靠静态再结晶（SRX）进行组织调整。这样的微结构设计使得材料能够同时满足高强度和高韧性的需求，适用于对材料性能有较高要求的工业场景，如汽车和航空航天制造。

在实验过程中，研究团队使用了一种无针的钨钢工具，通过不同的横向速度对冷轧后的AISI 1010钢薄板进行表面热机械处理。横向速度从25 mm/min到125 mm/min不等，而旋转速度始终保持在600 rpm。实验结果显示，随着横向速度的降低，材料表面的晶粒尺寸显著增大，从0.25 ± 0.04 μm增加到1.61 ± 0.09 μm。这种晶粒尺寸的变化与热输入密切相关，较高的热输入导致晶粒生长，从而降低了材料的硬度。例如，在125 mm/min的处理速度下，材料表面的硬度达到298.3 HV，而在25 mm/min时，硬度下降至203.96 HV。这一现象表明，当横向速度降低时，材料在处理过程中会经历更多的热软化效应，进而影响其硬度表现。

同时，研究团队还对材料的机械性能进行了详细测试，包括屈服强度（YS）、抗拉强度（UTS）和拉伸韧性（tensile toughness）。结果显示，随着横向速度的降低，YS和UTS均呈现下降趋势，从在1μm/min下的893.2 ± 11.8 MPa和910.4 ± 13.9 MPa分别下降至在25 mm/min下的701.4 ± 12.2 MPa和713.7 ± 13.4 MPa。然而，拉伸韧性却呈现出不同的变化趋势。在50 mm/min时，拉伸韧性达到峰值108.9 ± 1.4 MJ/mm3，随后随着横向速度进一步降低至25 mm/min时，拉伸韧性有所下降，但仍保持在较高水平。这种强度与韧性的变化关系表明，STMP处理在优化材料性能方面具有重要的平衡作用，既能够提高表面强度，又能够改善内部韧性。

此外，研究还通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）技术对材料的微观结构进行了深入分析。SEM图像显示，处理后的材料表面呈现出更加细小、等轴分布的晶粒，而底部区域则保留了冷轧后的原始组织。XRD分析进一步揭示了材料表面的晶体学取向变化，表明在STMP处理后，表面的取向特征被显著削弱，甚至消失。这一现象主要归因于动态再结晶过程，该过程能够随机化晶粒取向，从而降低材料的各向异性。相比之下，底部区域由于受到的热输入和机械变形较少，其晶体学取向变化较小，保留了冷轧后的原始特征。

在材料的断裂行为方面，研究团队通过SEM观察了不同处理速度下的断裂表面。结果表明，随着横向速度的降低，断裂表面的“凹坑”（dimples）形态发生变化，呈现出更浅、更宽的趋势。这种变化反映了材料在处理过程中经历的更广泛的再结晶和晶粒粗化，使得断裂机制更加均匀，从而提高了材料的韧性。在较高的横向速度下，由于热输入较少，材料的断裂表面表现出更深、更细长的凹坑，表明局部应变集中和较高的位错密度。而在较低的横向速度下，热输入增加，促进了再结晶过程，使得位错密度降低，材料表现出更高的延展性。

通过对比不同处理速度下的材料性能，研究团队发现，STMP处理能够在材料表面实现显著的强度提升，但同时也伴随着韧性变化。在较高的处理速度下，材料的表面硬度和强度达到峰值，而在较低的处理速度下，虽然硬度有所下降，但韧性得到了显著增强。这种性能变化的平衡关系表明，STMP处理是一种能够有效调控材料性能的工艺，尤其适用于需要在不同深度实现性能梯度的工业应用。例如，在汽车零部件制造中，材料的表面需要具备较高的硬度和耐磨性，而内部则需要保持良好的延展性和韧性，以防止断裂。

此外，研究还探讨了STMP处理对材料内部晶粒结构的影响。随着横向速度的降低，晶粒尺寸逐渐增大，这主要是由于热输入的增加促进了晶粒生长。然而，这种晶粒粗化并非在所有区域均匀发生，而是主要集中在材料的上表面。底部区域由于受到的热输入和机械变形较少，其晶粒结构变化较小，仍然保留了冷轧后的原始特征。这种差异性变化使得材料在不同深度表现出不同的性能特征，从而实现了性能梯度的调控。

在实际应用中，STMP处理技术可以为材料设计提供新的思路。通过调整处理参数，如横向速度和旋转速度，可以实现对材料性能的精确控制。这种技术不仅适用于AISI 1010钢，也可能适用于其他类型的低合金钢。未来的研究可以进一步探索STMP处理对不同材料的适应性，以及如何优化处理参数以获得最佳的性能组合。此外，研究团队还可以考虑将STMP与其他表面处理技术结合，以实现更复杂的性能梯度设计，满足不同工程应用的需求。

综上所述，STMP处理技术在材料科学领域具有广阔的应用前景。通过冷轧与STMP的结合，研究人员成功实现了AISI 1010钢的梯度微结构设计，使得材料在表面具有更高的强度和硬度，而在内部则保留了良好的延展性和韧性。这种性能优化不仅提高了材料的使用价值，还为未来的材料设计和制造提供了新的方向。随着材料科学的不断发展，STMP处理技术有望在更多领域得到应用，推动高性能材料的研发和创新。