在碳分配型QP1180钢中，奥氏体保留转变先于晶粒破碎过程发生

《Scripta Materialia》：Retained-austenite transformation precedes grain fragmentation in carbon-partitioned QP1180 steel

相变与晶粒细化顺序对QP钢强韧化的影响研究。采用单样品HPT技术产生应变梯度，同步辐射XRD、TEM和EBSD分析表明γ相在等效应变8.5时快速相变为马氏体，而晶粒细化滞后发生。证实TRIP机制优先于晶界细化激活，揭示了碳扩散与位错管道机制对相变的加速作用。该发现为优化QP钢加工工艺和构建双阶段本构模型提供理论支撑。

　　QP钢因其卓越的强度与延展性平衡，正日益被应用于汽车车身结构和高性能部件中。这类钢材能够在不牺牲延展性的前提下，达到超过1 GPa的抗拉强度，其核心原因在于其特殊的微观结构，特别是经过定制的碳富集、机械稳定的残留奥氏体（γ）的存在。在塑性变形过程中，γ相会逐渐转变为马氏体，从而产生由相变诱导塑性（TRIP）效应带来的强化，这种强化机制能够有效延迟颈缩的发生。通过淬火与分区处理（Quench and Partitioning, QP），QP钢首先在马氏体转变开始与结束温度之间进行淬火，形成马氏体与奥氏体的混合结构，随后在等温“分区”步骤中，碳从过饱和的马氏体中扩散至奥氏体，同时通过Si/Al的添加抑制碳化物的析出。这种碳的再分配过程显著稳定了奥氏体，并使其晶格发生膨胀。

由于工业中的工作硬化和碰撞事件往往导致强烈的、非均匀的剪切应变，QP组件的可靠性最终取决于γ相在极端梯度应变场中的稳定性。因此，研究γ相在这些极端条件下的行为至关重要。当前研究的重点在于确定TRIP效应与其他强化机制（如晶界强化和固溶强化）的激活顺序，尤其是在严重剪切条件下，TRIP是否在晶粒细化之前或之后发生。这一问题的答案对于构建能够预测QP钢在严重剪切加工过程中塑性变形和应变硬化行为的本构模型具有决定性意义。

为实现可靠的研究，需要一个具有位置依赖应变梯度的单一样品，以避免化学或微观结构的异质性误差。高压扭轉（High-Pressure Torsion, HPT）作为一种处理方法，能够提供从样品中心到边缘的应变梯度。在HPT过程中，薄盘受到高达吉帕斯卡级别的静水压力和显著的剪切应变，从而将晶粒细化至亚微米甚至纳米级别。一个HPT样品可以在径向距离上表现出这种应变梯度，同时中心区域被视为几乎未变形。在应变作用下，两种机制相互竞争：一种是γ相逐渐向马氏体（α′/α）转变的过程，另一种是γ相在晶界作用下的细化过程。关键问题在于，哪一种机制首先被激活，以及γ相的剪切应变阈值是否与晶粒细化的阈值不同，这一问题的答案对于理解QP钢的力学行为至关重要。

本研究通过分析一个经受一次完整HPT处理的QP1180钢盘，揭示了γ相的演变过程。该样品的径向等效应变从中心的0扩展至边缘的21.3，覆盖了从完全未变形到γ相完全消失的整个路径。通过收集同步辐射高能X射线衍射（HE-XRD）数据，并沿着从样品中心到边缘的直线进行分析，研究人员能够追踪γ相向马氏体的转变过程，并通过反射峰的展宽情况判断可能的晶粒细化。此外，透射电子显微镜（TEM）和电子背散射衍射（EBSD）提供了缺陷观察、相图和晶粒尺寸的信息。这种结合了空间分辨率的多技术数据集，能够揭示γ相的细化与相变之间的动态关系，而传统的连续轧制或拉伸测试无法提供这种信息，因为每次应变步骤都需要新的样品制备，可能引入微结构异质性。

QP1180钢片（含2.7% Mn、1.7% Si、0.2% C，其余为Fe）由宝钢公司提供，厚度为2 mm。研究中对直径为10 mm、厚度为0.85 mm的样品进行了一次HPT处理，处理过程中施加了6 GPa的静水压力，并在准约束条件下旋转。在HPT处理中，静水压力有效抑制了断裂，使得相变可以在径向约2 mm的范围内完全发生，从而定义了一个独特的相变应变阈值。这一阈值的确定对于理解QP钢在严重剪切条件下的行为具有重要意义。

通过EBSD技术，研究人员获得了不同应变区域的相图和晶界分布。在中心区域（应变接近0）的γ相含量为6.8%，而在距离边缘3000 μm处（应变约为8.5）下降至0.8%，最终在边缘（应变约为21.3）降至0.7%。这一变化趋势表明，γ相的快速消耗发生在应变达到8.5左右，而随后的减少则更为缓慢。此外，残余γ相的尺寸小于1 μm，并且常常位于三晶界处，这表明γ相的细化并未完全发生在相变过程中，而是更多地与微应变和缺陷积累有关。

TEM分析进一步支持了这一机制。在中心区域，γ相内部存在密集的位错网络，而这些位错网络在γ/α′/α界面处连续存在，为碳的短路扩散提供了通道，从而加速了γ相向马氏体的转变。在接近边缘的位置，γ相的分布变得稀疏，而位错网络在α′/α相中更加显著。这一结果表明，在γ相完全消失之前，其内部的位错活动已经显著影响了相变的速率和程度。

研究还通过HE-XRD数据对γ相的含量进行了量化分析。结果表明，γ相的快速消耗发生在应变达到8.5左右，而在更高应变区域，其含量变化趋于平缓。这一现象与TEM和EBSD的观察结果一致，表明在高应变区域，微应变的积累和晶粒的细化成为主导因素，而进一步的相变则受到限制。这说明，在QP钢的严重剪切过程中，TRIP效应先于晶粒细化发生，这为构建更准确的本构模型提供了依据。

此外，研究还指出，HPT处理能够有效分离两种强化机制，即TRIP效应和晶粒细化。通过这种方法，研究人员能够明确地观察到在特定应变阈值下，TRIP效应的激活先于晶粒细化，这为其他不稳定的面心立方（FCC）合金（如高锰TWIP钢或中锰TRIP钢）的设计提供了可借鉴的规则。这一发现不仅有助于优化QP钢的加工工艺，还可能为其他合金的开发提供新的思路。

从实际应用的角度来看，这一研究为QP钢的加工和性能优化提供了重要的理论依据。通过控制预剪切或调整分区工艺，可以在不牺牲延展性的前提下，最大化材料的强度。此外，HPT作为一种快速、高分辨率的测试方法，能够为理解QP钢在极端剪切条件下的行为提供可靠的实验数据。这不仅有助于提高材料设计的精度，还可能推动相关领域的技术创新和材料性能的提升。

总的来说，这项研究通过多技术手段，揭示了QP钢在严重剪切条件下的微观结构演变规律。研究结果表明，在应变达到约8.5时，γ相的快速消耗发生，而随后的晶粒细化则成为主导因素。这一发现为QP钢的性能优化和加工工艺设计提供了重要的参考，并可能为其他不稳定的FCC合金的设计和应用提供新的方向。同时，HPT作为一种有效的实验方法，能够为未来研究提供更精确的实验数据，推动材料科学领域的进一步发展。