揭示异质结构低合金钢中的应变分区现象及接地（GND）介导的硬化机制：基于原位电子背散射衍射（EBSD）技术的弯曲仿真方法验证

《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》：Revealing strain partitioning and GNDs-mediated hardening in heterostructure low-alloy steel: An in-situ EBSD validation of a bending simulation methodology

本文通过原位EBSD技术研究了Q215异质结构钢在单向拉伸过程中的应变分配行为与微观结构演化规律，揭示了双模式异质结构（恢复/变形）相比多模式结构（恢复/变形/再结晶）具有更优的强度-延展性协同效应，其工作硬化指数更高（0.121 vs 0.06），屈服强度达527MPa且延伸率14.2%。通过对比弯曲模拟与真实拉伸的应变分布，验证了该模拟方法在屈服及早期加工硬化阶段（总误差<10%）的有效性，为低成本快速评估异质结构钢性能提供了新方法。

　　本研究聚焦于低合金钢中异质结构材料的强度与延展性之间的协调关系，旨在通过一种经济且高效的方法对材料的性能进行优化。为了实现这一目标，研究人员采用了原位电子背散射衍射（EBSD）技术，以分析典型恢复/变形双模和恢复/变形/再结晶多模异质结构低合金钢在单轴拉伸过程中的应变分区行为和微观结构演变。通过该技术，研究团队发现塑性应变优先在较软的恢复晶粒中开始，并从晶界向晶粒内部传播。随后，较硬的变形晶粒开始承担应变以保持材料的兼容性，而细小的再结晶晶粒由于其应变承载能力有限，对后期塑性贡献较小。在恢复与变形晶粒界面处显著的应变梯度对于诱导大量几何必要位错（GNDs）的积累至关重要，从而产生显著的异变形诱导强化效应。相比于多模异质结构，双模异质结构在应变积累方面更具持续性和效率，最终实现了527 MPa的屈服强度和14.2%的延伸率，表现出与高强度钢相当的综合性能。

在传统金属材料中，强度与延展性之间通常存在逆向关系，即随着强度的提高，延展性往往下降，反之亦然。这种特性在低合金钢中尤为明显，尤其是在低碳低合金钢中，由于合金元素的不足，难以形成如相变诱导塑性（TRIP）或孪晶诱导塑性（TWIP）等强化机制，使得其在传统制造工艺下难以实现高强度与高延展性的平衡。因此，近年来，异质结构强化理论作为一种新兴的强化策略，逐渐成为实现强度与延展性同步提升的重要途径。异质结构指的是在微观结构或化学组成上呈现非均匀分布的材料，与传统均匀结构材料不同，其设计目标是利用多个结构单元的性能优势，以提升整体材料的综合性能。

在非铁金属领域，如铝、铜、镁和钛等，异质结构的应用已经相当成熟，开发了包括梯度、层状、双模和谐波结构等多种异质结构，以应对强度与延展性之间的长期矛盾。然而，在钢材料的研究中，尤其是低合金碳钢领域，异质结构的应用仍处于探索阶段。对于纯铁素体基的低合金碳钢，如Q215钢，传统强化机制难以有效提升其强度和延展性。研究显示，通过变形和热处理工艺形成包含粗晶、细晶和超细晶的多尺度异质结构，可以同时增强强度和延展性，利用晶界强化机制实现材料性能的优化。

本研究提出了一种基于弯曲试验的模拟方法，旨在以较低成本和较高效率替代传统的原位拉伸测试。该方法利用大角度弯曲试验中固有的应变梯度，模拟单轴拉伸过程中材料的应变分区行为。通过测量晶粒的长宽比变化，可以作为应变水平的代理指标，从而快速评估材料的协同变形行为。这一方法避免了传统原位EBSD检测技术所需的复杂操作，如样品切割、电解抛光和真空扫描等，使得研究人员能够在较短时间内完成对材料微观结构的评估。

然而，这一基于弯曲的模拟方法仍依赖于一个未经验证的前提假设，即弯曲应变梯度与实际拉伸应变分区行为之间的等效性。由于当时缺乏合适的原位表征技术，直接验证这一假设成为研究的难点。近年来，随着原位扫描电子显微镜（SEM）与EBSD技术的发展，研究人员能够实时追踪材料在真实拉伸条件下的微观结构演变，为验证弯曲模拟假设提供了技术基础。本研究通过原位EBSD测试对两种典型的多模异质结构Q215钢样品（即恢复/变形双模和恢复/变形/再结晶多模异质结构）进行了深入分析，以直接量化拉伸过程中局部应变和GNDs密度的变化。研究的主要目标是系统评估弯曲模拟方法在模拟真实拉伸应变分区行为方面的准确性和局限性，并确定其适用范围。

研究采用了分阶段的实验设计。首先，利用原位EBSD技术，对特定异质结构进行详尽的应变分区行为和GNDs介导的强化机制分析，从而建立一个物理基准。其次，基于这一基准，对之前提出的弯曲模拟方法进行了系统评估，以量化其在模拟实际拉伸应变分区行为方面的准确性、局限性和实际应用价值。通过这种对比分析，研究团队能够更全面地理解弯曲模拟方法的适用性，并为其进一步优化提供理论依据。

在实验过程中，研究人员首先对Q215钢进行了冷轧处理，分别达到30%和50%的减薄率。随后，使用氮气保护的多用途退火模拟器进行热处理，控制温度和冷却速率以获得特定的微观结构。通过K型热电偶对样品进行温度监测，确保热处理过程的精确控制。接着，根据JIS-13A标准制备拉伸测试样品，并在Instron 5581型万能试验机上进行拉伸测试，拉伸速度为2 mm/min，拉伸方向平行于冷轧方向（RD）。同时，弯曲模拟实验在Youture WC-67Y型液压弯曲机上进行，将退火样品弯曲180°，弯曲线沿横向方向（TD）排列。通过从弯曲线区域提取横截面进行显微观察，研究人员能够获得样品内部的应变梯度信息，从而为模拟方法的验证提供依据。

为了更详细地研究材料的微观结构演变，研究人员利用扫描电子显微镜（SEM）和EBSD探头，对样品进行了原位EBSD分析。样品被加工成特定尺寸，并在拉伸过程中以0.1 μm/min的速度进行拉伸。在平均位移间隔0.1–0.2 μm时，对样品进行EBSD扫描，以记录其在不同变形阶段的微观结构变化。扫描参数包括20 kV加速电压、16 mm工作距离、70°倾斜角、0.4 μm步长和500倍放大倍数。为了减少局部噪声的影响，对大区域进行平均KAM（晶粒平均取向偏差）计算，以获得更准确的应变信息。KAM值反映了局部平均取向偏差，通常通过计算目标点与其24个最近邻点之间的取向角度来获得。通过这些数据，研究人员能够估算GNDs的密度，并进一步分析其对材料性能的影响。

在拉伸过程中，材料的应变分区行为表现出显著的非均匀性。在恢复/变形双模异质结构中，应变优先集中在较软的恢复晶粒中，并从晶界向晶粒内部逐渐传播。随着总应变的增加，变形晶粒开始承担应变以维持晶界连续性。这种行为与之前的研究结果一致，即恢复晶粒在早期阶段承担主要的塑性应变，而变形晶粒在后期阶段逐渐参与应变承载。对于恢复/变形/再结晶多模异质结构，细小的再结晶晶粒在早期阶段对应变的承载贡献较小，仅在总应变较高时才开始参与应变分配。这一行为与弯曲模拟实验的结果一致，表明细小再结晶晶粒在应变承载方面的能力有限，难以有效维持应变梯度。

通过KAM图谱和GNDs密度变化图谱，研究人员进一步揭示了不同异质结构在拉伸过程中的应变分区行为。KAM图谱展示了晶粒在不同阶段的平均取向偏差，而GNDs密度变化图谱则反映了材料在拉伸过程中位错密度的变化。在恢复/变形双模异质结构中，GNDs密度在拉伸过程中迅速增加，特别是在晶界附近，显示出明显的位错密度梯度。相比之下，恢复/变形/再结晶多模异质结构中，GNDs密度的增加较为缓慢，且在细小再结晶晶粒内部未形成明显的位错密度梯度。这种差异主要归因于晶粒尺寸的不同，大尺寸恢复晶粒具有更强的位错容纳能力，而细小再结晶晶粒由于其高晶界密度，更倾向于通过晶界滑动或快速屈服等机制进行应变分配。

进一步分析表明，GNDs在异质结构中扮演着关键角色，其密度的增加有助于抑制后续位错的运动，从而提升材料的强度和延展性。在恢复/变形双模异质结构中，GNDs的积累更为显著，其密度梯度从晶界向晶粒内部延伸，形成了有效的强化机制。这种机制不仅提高了材料的强度，还通过均匀化塑性变形，延缓了局部变形的出现，如Lüders带。相比之下，恢复/变形/再结晶多模异质结构由于细小再结晶晶粒的存在，其应变分配能力较弱，导致GNDs密度的积累效率较低，进而影响材料的宏观性能。

通过将弯曲模拟的应变分配度（DSA）与原位拉伸测试的应变分配度进行对比，研究人员评估了弯曲模拟方法的准确性。结果显示，弯曲模拟在低应变条件下对恢复晶粒的应变分配度具有较高的准确性，误差小于10%。然而，在高应变条件下，弯曲模拟对恢复晶粒的应变分配度存在一定的高估现象。这种偏差可能源于弯曲过程中复杂的三轴应力状态，与单轴拉伸过程中的应力分布存在显著差异。弯曲过程中，外表面晶界受到拉伸应力，而内表面晶界则受到压缩应力，这种应力梯度在高应变条件下可能激活一些在单轴拉伸中不常见的变形机制，如晶界滑动，从而影响应变分配度的测量。

此外，弯曲模拟在高应变条件下对变形晶粒的应变分配度也存在一定的高估问题。然而，对于再结晶晶粒，弯曲模拟能够较为准确地反映其在拉伸过程中的应变行为。这可能是由于再结晶晶粒本身在应变分配中的参与度较低，且其晶粒尺寸较小，导致晶界面积有限，难以产生足够的局部应变。因此，弯曲模拟在描述再结晶晶粒的应变行为时表现出较高的准确性。

尽管弯曲模拟方法在某些条件下存在偏差，但其在低应变阶段仍能有效模拟真实拉伸条件下的应变分区行为。因此，该方法在研究低合金碳钢的晶粒级应变分区行为方面具有重要的应用价值，尤其是在缺乏复杂原位表征技术的场景下。弯曲模拟方法的简便性和快速性使其成为一种可行的间接表征手段，能够为材料设计和工艺优化提供快速反馈。

在工程应用方面，弯曲模拟方法的价值主要体现在新工艺开发中的快速迭代和质量控制问题的快速诊断。通过在实验室中对所有样品进行简单的180°弯曲测试，研究人员可以在短时间内评估不同工艺参数下形成的异质结构及其应变分区行为。这种方法能够有效识别具有更优协同变形模式的样品，从而显著加快材料研发进程。同时，对于存在机械缺陷的钢带产品，弯曲模拟测试能够快速判断是否由于工艺问题导致了过多的有害晶粒（如细小再结晶晶粒）的形成，这些晶粒可能破坏原有的应变分区机制，进而影响材料的性能。

本研究的结果表明，恢复/变形双模异质结构在Q215低合金钢中表现出最优的强度与延展性组合。通过精确控制冷轧减薄率和亚临界退火工艺，研究人员能够最大化恢复晶粒和变形晶粒的比例，同时抑制细小再结晶晶粒的形成。这种设计策略不仅提高了材料的强度，还通过晶粒间的协同变形机制增强了其延展性。研究进一步验证了弯曲模拟方法在模拟拉伸应变分区行为方面的可行性，特别是在低合金碳钢的开发中，该方法具有一定的普遍性。

总之，本研究通过原位EBSD实验，深入探讨了多模异质结构低合金钢的应变分区行为和强度-延展性协同机制，为材料的性能提升提供了重要的理论支持。同时，通过系统验证弯曲模拟方法，明确了其在模拟早期拉伸应变分区行为方面的适用性，为未来研究提供了新的思路。这些发现不仅有助于理解低合金钢的微观变形机制，还为开发经济高效的材料表征方法提供了实践依据，从而推动异质结构材料在实际工程中的应用。