grain refinement（晶粒细化）在提高热轧高硅铁素钢板低温冲击韧性中的作用

《Journal of Materials Research and Technology》：The role of grain refinement in improving low-temperature impact toughness in hot rolled high-silicon ferritic steel plate

高硅铁素体钢板通过调整Si和Ni含量降低A3温度，细化晶粒至18.5μm，使脆性转变温度（DBTT）从-10℃降至-30℃，冲击吸收能量在-20～-40℃区间提升9.1-11.3倍。研究发现变形孪生在低温冲击时诱发裂纹萌生与沿孪界扩展，晶粒细化通过抑制孪生和增加晶界阻碍裂纹扩展，显著改善低温韧性。

　　高硅铁素体钢因其优异的磁性能，被广泛应用于磁悬浮列车的导向系统中。然而，这类材料通常表现出较差的低温冲击韧性，这限制了其在寒冷环境下的应用。为了克服这一问题，研究人员探索了通过优化钢的化学成分，降低γ→α相变温度（A?）的方法，从而实现更低温下的终轧温度控制，进而细化铁素体晶粒，提高低温冲击韧性。该研究为提升高硅铁素体钢的低温韧性提供了新的思路，并揭示了铁素体晶粒细化与塑脆转变之间的关系。

在材料制备过程中，通过调整硅（Si）和镍（Ni）的含量，研究人员成功地将高硅铁素体钢的A?温度降低了约30°C。这一调整使得终轧温度可以控制在奥氏体区域，而不是铁素体与奥氏体共存的双相区域，从而有效细化铁素体晶粒。实验表明，经过这种优化处理后，钢的铁素体晶粒尺寸从27.6 μm减少至18.5 μm，这显著改善了其低温冲击韧性。具体而言，塑脆转变温度（DBTT）从-10°C降低至-30°C，而在-20°C至-40°C温度区间内，冲击吸收能量提升了9.1至11.3倍，表明该方法在提升材料低温韧性方面具有显著效果。

材料的微观结构是影响其机械性能的关键因素之一。在高温轧制和随后的退火处理后，钢的组织主要由铁素体和珠光体组成。通过降低终轧温度，不仅能够细化铁素体晶粒，还能够改变珠光体的分布。实验结果显示，退火后的钢B相较于钢A，其铁素体和珠光体的尺寸均更小，且珠光体更均匀地分布在铁素体晶界和三晶粒交汇处。这种晶粒细化的效应不仅提升了材料的强度，还增强了其在低温下的韧性。

在机械性能测试中，钢B在不同温度下的冲击韧性表现优于钢A。在20°C时，两者的冲击吸收能量相近，但随着温度降低，钢B的韧性保持得更佳。特别是在-20°C至-40°C区间，钢B的冲击吸收能量显著增加，而钢A则迅速下降。这一现象表明，晶粒细化对低温韧性有显著的正向作用。此外，钢B在冲击过程中表现出一种独特的两阶段韧性下降趋势，这与材料在不同温度下的变形机制变化密切相关。

在冲击测试中，变形孪晶的出现对材料的韧性具有双重影响。一方面，变形孪晶在低温下促进裂纹的形成和扩展，导致韧性下降；另一方面，通过晶粒细化，可以提高变形孪晶的临界应力，从而延迟其出现，改善材料的韧性。实验发现，即使在Si含量降低和Ni含量增加导致的较低堆垛层错能（SFE）条件下，晶粒细化仍然能够有效抑制变形孪晶的形成，进而改善材料的低温韧性。这表明，晶粒细化在控制变形孪晶行为方面具有决定性作用，尤其是在不利的化学成分条件下。

在裂纹扩展机制方面，变形孪晶的出现导致裂纹在孪晶尖端形成，并沿孪晶界扩展，从而显著降低裂纹形成能和扩展能。这一过程在钢A和钢B中均被观察到，但在钢B中更为显著。通过电子背散射衍射（EBSD）分析，研究人员发现变形孪晶与基体之间存在明显的晶格取向差异，且其取向关系为{112}<111>。这一结果进一步证实了变形孪晶在裂纹形成和扩展过程中的关键作用。

为了进一步揭示变形孪晶对材料韧性的影响，研究还通过仪器化的冲击试验分析了裂纹形成能（W?）和裂纹扩展能（W?）。实验结果显示，随着冲击温度的降低，W?和W?均显著下降，这表明变形孪晶的出现降低了材料对裂纹的抵抗能力。然而，通过晶粒细化，钢B的W?和W?在较低温度下仍保持较高水平，说明晶粒细化能够有效抑制变形孪晶的形成，从而提升材料的韧性。

研究还发现，钢B在冲击温度降低至-20°C至-45°C时，表现出两阶段的冲击吸收能量下降趋势。这一现象可能与材料在不同温度下的变形机制变化有关。在第一阶段（20°C至-20°C），主要的变形机制为位错滑移，导致材料表现出延性断裂特征；而在第二阶段（-20°C至-45°C），随着温度进一步降低，位错滑移受到抑制，变形孪晶开始出现，从而改变了材料的变形行为。这一转变使得裂纹在更低的温度下形成和扩展，最终导致冲击吸收能量的快速下降。

综上所述，该研究揭示了通过降低γ→α相变温度（A?）和优化化学成分，可以有效细化铁素体晶粒，从而显著提升高硅铁素体钢的低温冲击韧性。变形孪晶的出现虽然会降低韧性，但通过晶粒细化，可以延迟其形成，减少其对材料性能的负面影响。此外，研究还发现，晶粒细化不仅能够提高材料的强度，还能改善其在低温下的韧性，为其他类型的铁素体钢的低温性能优化提供了理论支持和实践指导。这些发现对推动高硅铁素体钢在低温环境下的应用具有重要意义，同时也为材料科学领域的进一步研究提供了新的视角。