V-Ti微合金化对TRIP辅助贝氏体钢在工业连续退火过程中组织与力学性能的协同调控机制

为解决汽车轻量化用TRIP辅助贝氏体铁素体钢（TBF钢）在工业连续退火（ICA）过程中组织性能调控难题，研究人员通过联合添加0.1 wt.% V和Ti微合金化，系统研究了其对贝氏体相变动力学、微观组织演变及力学性能的影响。研究发现V-Ti复合添加可细化原奥氏体晶粒（PAG）并促进纳米碳氮化物析出，但过度细化会导致贝氏体板条粗化和粒状贝氏体形成，最终获得强度（1199 MPa）与延伸率（12.8%）的优化匹配。该研究为工业条件下高性能TBF钢的成分设计提供了理论依据。

　　

在汽车轻量化浪潮中，第三代先进高强度钢（AHSS）因其优异的强塑性组合成为研究热点。其中，无碳化物贝氏体钢（CFB）又称TRIP辅助贝氏体铁素体钢（TBF），凭借全贝氏体基体和亚稳残余奥氏体（RA）的持续TRIP（相变诱导塑性）效应，展现出比传统TRIP钢更高的屈服比和良好的成形性。然而，工业连续退火（ICA）生产线与传统等温淬火工艺存在显著差异——多阶段轧制与分段冷却过程导致组织调控困难，而固定设备参数又限制了工艺优化空间。如何通过成分设计突破ICA工艺约束，成为实现TBF钢工业化应用的关键瓶颈。

针对这一挑战，国内某钢铁研究院团队创新性地采用V-Ti复合微合金化策略，设计出0.2C-1.3Si-1.9Mn-0.2Mo基低合金钢，通过对比添加0.1 wt.% V-Ti与未添加微合金的两种钢在典型ICA工艺下的行为差异，揭示了微合金化-组织-性能的构效关系。研究成果发表于《Journal of Materials Research and Technology》，为工业化生产高性能TBF钢提供了重要理论支撑。

研究团队采用真空感应熔炼制备实验钢，通过热轧-冷轧模拟工业流程，利用膨胀仪精确追踪ICA过程中的相变行为。结合SEM、EBSD、TEM等多尺度表征手段解析微观组织，借助XRD定量分析RA含量及碳浓度，并通过拉伸试验评估力学性能与加工硬化行为。

相变动力学行为
研究发现V-Ti复合添加使原奥氏体晶粒（PAG）尺寸从15.8 μm细化至3.4 μm。这种细化通过"延迟奥氏体相变+抑制晶界迁移"双重机制实现：Ti-V碳氮化物析出降低基体平均碳含量，提高AC₃温度；粗大析出相钉扎晶界阻碍长大。精细PAG促进贝氏体形核（晶界面积增加4.6倍），但强烈抑制其长大——VTi添加钢的贝氏体转变速率呈现"前期加速（形核主导）+后期减速（生长受限）"特征，最终贝氏体体积分数略降（87.0% vs 89.8%）。

微观组织特征
PAG细化引发连锁反应：一方面使马氏体/奥氏体（M/A）岛尺寸从326 nm缩减至270 nm，薄膜状RA厚度由47 nm减至34 nm；另一方面因生长空间受限，贝氏体板条长度缩短、厚度增加（224 nm vs 207 nm），并出现粒状贝氏体。TEM显示VTi添加钢中析出相呈双峰分布：20 nm级（Ti-V-Mo复合碳氮化物）占比98%，60 nm级（富Ti碳氮化物）占2%，前者通过Ashby-Orowan机制贡献69.7 MPa析出强化。

力学性能表现
尽管析出强化效果显著，但VTi添加钢因贝氏体板条粗化及粒状贝氏体出现，屈服强度（YS）和抗拉强度（UTS）分别降低至961 MPa和1199 MPa。然而得益于M/A岛细化和RA的持续TRIP效应，其总延伸率（TE）提升12.8%，强塑积（PSE）达15.3 GPa·%。加工硬化曲线揭示：VTi钢中块状RA（3.7%）与薄膜RA（34 nm）的协同作用，使应变硬化平台区更早出现且维持更久。

这项研究创新性地指出：工业ICA工艺中，V-Ti复合微合金化需平衡"晶粒细化收益"与"组织劣化风险"。虽然0.1 wt.%总添加量可有效细化PAG并促进纳米析出，但过度细化会导致贝氏体板条粗化，反而削弱强度优势。研究建议在实际生产中优先调控Ti含量以优化晶粒尺寸，为开发兼具高强高塑的TBF钢提供了精准的成分设计窗口。该成果不仅解决了ICA工艺适配性问题，更通过"成分-工艺-组织-性能"的全链条解析，推动了汽车轻量化材料的工业化进程。