揭示基于铁氧体的轻质钢材中，前驱体工艺驱动的微观结构与性能变化背后的机制

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Revealing the mechanisms behind precursor process-driven microstructural and property variations in ferrite-based lightweight steels

铁素体基轻质钢通过新型碳化物前驱处理策略抑制κ碳化物形成，避免轧制开裂，同时优化了异质强化结构（粒状残留奥氏体与α-铁素体交替分布），实现1 GPa抗拉强度与38.5%均匀延伸率的协同提升。

　　本研究围绕一种基于铁素体的轻质钢展开，重点探讨了如何通过改进热处理工艺，有效提升其力学性能。这类轻质钢因其高延展性和强度而受到广泛关注，尤其在汽车和航空航天工业中具有重要的应用前景。然而，对于含铝量超过5%的铁素体轻质钢，其面临的主要挑战是κ-碳化物的形成，这种碳化物在轧制过程中会引发与轧制相关的裂纹。此外，传统的加工方法难以实现强度与延展性的良好协同，限制了其性能的进一步提升。因此，本研究提出了一种新的碳化物前驱体加工策略，以有效抑制κ-碳化物的生成，并成功避免了轧制后的中心线或边缘裂纹。这种方法不仅简化了加工流程，提高了对成分和微观结构的控制能力，还促进了一种此前研究较少的异质结构的形成，该结构由粒状保留奥氏体与α-铁素体交替分布组成。这种异质结构显著增加了异质界面的密度，从而增强了异变形诱导强化的效果。此外，粒状保留奥氏体由于富集了来自碳化物前驱体的元素，在变形过程中表现出更高的稳定性，延迟了其转变过程。同时，由于逆转变驱动力的降低，位错强化的作用得以加强，而残余碳化物和链状VC共析物则进一步促进了沉淀强化的效果。最终，这种基于铁素体的轻质钢实现了接近1 GPa的抗拉强度，以及38.5%的均匀延伸率。

在轻质钢的研究中，高锰（Mn）和高铝（Al）含量的钢种因其出色的力学性能而备受关注。这类钢通常具有奥氏体基体，通过精心设计的合金组成和加工路线，可以实现超过1 GPa的抗拉强度。其优异的性能主要归因于显著的孪晶诱导塑性（TWIP）或相变诱导塑性（TRIP）效应，以及特定的粒子相互作用和位错活动，这些因素赋予了这类钢比传统低锰铁素体轻质钢更优越的机械性能。相比之下，传统低锰铁素体轻质钢的强度和延伸率通常分别在200到880 MPa和10到38%之间。尽管高锰和高铝含量的轻质钢具有显著的性能优势，但其高生产成本、复杂的熔炼过程以及较差的成形性和焊接性限制了其在工业上的广泛应用。因此，开发一种具有高强度（约1 GPa）和高延展性（超过38%）的铁素体轻质钢，同时保持低锰和低碳的合金组成，具有重要的现实意义。

铁素体轻质钢通常通过热轧、卷取、冷轧和连续退火等工艺进行加工，其强化机制主要依赖于粗大的铁素体基体和不稳定的奥氏体晶粒。κ-碳化物主要在轧制过程中奥氏体共析转变时形成，是奥氏体的高效成核位点。κ-碳化物的典型化学式为（Fe, Mn）?AlC，其成核的奥氏体晶粒富集了碳和锰，从而增强了奥氏体的稳定性。然而，κ-碳化物中也含有大量的铝，其含量与锰相当。由于在短时间连续退火过程中铝的扩散速度较慢，κ-碳化物可能对奥氏体的稳定性产生负面影响。此外，有报道指出，κ-碳化物在轧制过程中倾向于形成带状结构，这可能导致钢板出现裂纹，特别是在碳和锰的不均匀分布情况下。为了缓解κ-碳化物的不利影响，以往的研究主要集中在快速冷却工艺或成分调整上。快速冷却可以抑制层状κ-碳化物的延长或增厚，但仍然可能导致部分κ-碳化物的形成，并降低生产效率。另一方面，降低碳、锰和铝的含量可以降低κ-碳化物的形成温度，但这种降低会使材料难以满足机械性能和轻量化的要求。因此，避免在卷取和轧制过程中发生奥氏体共析转变，成为解决这一问题的最优方案。

值得注意的是，构建异质结构已成为提升轻质钢强度-延展性协同效应的一种有效策略，这种协同效应主要通过异变形诱导（HDI）强化和异变形诱导应变强化来实现。例如，Liu等人通过在950–700°C的温度范围内进行轧制，开发出一种四相分层的异质结构，使轻质钢的抗拉强度达到了约1.45 GPa。同样，Ding等人通过多步热机械加工路线，在中锰钢中建立了三相分层结构，使材料的超高屈服强度达到了约2.0 GPa。在铁素体轻质钢中，具有特征的双峰晶粒结构——由粗大的δ铁素体和细晶奥氏体组成——可以有效增强其强度。除此之外，引入额外的异质特征以进一步提升性能的可能性仍然有待探索。

此外，有意引入化学异质性以动态优化溶质原子的分布，为提升材料性能提供了另一种途径。这一方法在中锰钢中已引起广泛关注，其关键在于通过上游加工过程中形成的前驱相，如碳化物、奥氏体或应变诱导马氏体，产生的化学异质性。这些微观结构成分和相可以作为合金元素的准储库或容器相。在后续的奥氏体逆转变处理过程中，这些储库可能部分或完全溶解，将溶质元素如锰和碳释放到周围的基体中。然而，这种方法在铁素体轻质钢中的应用仍较为有限。事实上，前驱相的变化可以显著影响后续微观结构的分布，这一现象尚未得到充分关注。

本研究通过简单调整热处理工艺，有效提升了铁素体轻质钢的综合力学性能，使其抗拉强度接近1 GPa，均匀延伸率达到38.5%。同时，所采用的工艺成功抑制了κ-碳化物的形成，避免了轧制后的中心线或边缘裂纹。该研究的主要结论如下：开发了一种基于碳化物沉淀的前驱体处理策略，该策略不仅提升了材料的强度-延展性协同效应，还通过异质结构、位错强化和沉淀强化的协同作用，显著增强了其整体机械性能。这种策略在保持低锰和低碳合金组成的同时，实现了与传统高锰高铝轻质钢相当的力学性能，而无需依赖复杂的加工手段。通过这种创新性的热处理方法，不仅解决了传统工艺中存在的技术难题，还为轻质钢的进一步优化提供了新的思路。研究结果表明，合理的热处理工艺调整可以显著改善材料的性能，为轻质钢的工业化应用开辟了新的可能性。