通过高密度相干纳米碳化物，创新性地开发出一种超短工艺路线，用于生产具有优异延展性的高强度微合金钢

《Journal of Materials Research and Technology》：Innovative Ultra-short Route to Produce High-strength Microalloyed Steel with Excellent Ductility via High-density Coherent Nanocarbides

高强度微合金马氏体钢带通过超短工艺（带浇口连铸+单道次热轧+短时再结晶退火）实现，纳米级碳化物（含纳米沉淀和纳米簇）协同晶粒细化显著提升强度（1610 MPa）与延展性（13.7%）。

　　高强微合金马氏体钢因其优异的强度性能被广泛应用于机械制造领域，然而其较差的延展性和成形性却限制了其更广泛的应用。为了解决这一矛盾，本研究提出了一种超短工艺流程，通过结合带铸法、单道次热轧以及短时再加热，生产出具有增强延展性的高强微合金马氏体钢带材。这种工艺不仅大幅缩短了生产时间，还显著降低了能耗和碳排放，为高性能钢材的制造提供了更加环保和经济的解决方案。

在带铸过程中，通过亚快速凝固技术实现了合金元素的完全固溶，形成超饱和基体。随后的热轧和再加热过程促使了双尺度纳米碳化物的快速析出，包括纳米析出物和纳米团簇。这些纳米团簇被认为具有与奥氏体基体相同的晶体结构，而纳米碳化物则表现出半共格界面。这种结构差异导致了不同的强化效果：共格的纳米团簇减少了界面应变集中，从而保留了材料的延展性；而半共格的纳米碳化物则通过析出强化提高了强度。在再加热过程中，高温处理与共格析出的协同作用促进了纳米碳化物的快速形核，同时这些纳米碳化物通过钉扎效应有效抑制了奥氏体晶粒的生长，最终在淬火过程中形成了超细的马氏体微观结构，进一步增强了材料的强度和韧性。

本研究通过实验和理论分析，揭示了纳米碳化物在高温处理过程中的形成机制及其对材料性能的影响。纳米析出物和纳米团簇的协同作用不仅提升了材料的强度，还改善了其延展性，实现了强度与延展性的良好平衡。具体而言，HR-A样品表现出显著的强度提升和延展性增强，其抗拉强度达到1610 MPa，总延伸率达到了13.7%。这一结果表明，通过控制纳米级析出物的形成过程，可以有效克服传统马氏体钢中强度与延展性之间的矛盾。

材料的微观结构特征对其机械性能有着直接的影响。通过光学显微镜和扫描电子显微镜的观察发现，As-Cast样品具有较大的奥氏体晶粒，而经过热轧和再加热处理后的HR-A样品则形成了更细小的等轴奥氏体晶粒。这种晶粒细化现象是由于热轧过程中产生的高变形能促进了奥氏体再结晶和晶粒长大，同时纳米碳化物的钉扎作用进一步抑制了晶粒的生长。结果表明，纳米碳化物的形成对于晶粒细化和强度提升起到了关键作用。

在强化机制方面，本研究探讨了多种因素对材料强度的贡献。其中，晶界强化和析出强化是HR-A样品强度的主要来源，分别占32.7%和33.3%。晶界强化通过提高晶界密度来增强材料的强度，而析出强化则通过纳米碳化物的钉扎效应和高密度析出物来提高材料的硬度和强度。此外，固溶强化和位错强化也对材料性能产生了一定的影响。通过实验测量和理论计算，研究人员发现HR样品的强度主要来源于位错强化和晶粒细化，而HR-A样品则在析出强化和晶粒细化方面表现更为突出。

本研究的创新点在于提出了一个简化的超短工艺流程，该流程仅包括带铸、单道次热轧和短时再加热。与传统的连续铸造和薄板连铸相比，这种工艺显著减少了生产步骤，提高了生产效率。同时，由于带铸过程中亚快速凝固技术的应用，材料的微观结构得到了有效控制，纳米碳化物的形成得以优化，从而提升了材料的综合性能。此外，该工艺还具有显著的环境优势，其能耗和碳排放仅为传统连续热轧工艺的10%和16%，为实现绿色制造提供了新思路。

本研究的实验方法包括样品制备、微观结构表征和机械性能测试。在样品制备阶段，研究人员使用带铸模拟器将熔融钢直接铸造成带材，随后通过热轧和再加热处理获得不同阶段的样品。通过光学显微镜和扫描电子显微镜对样品的微观结构进行了详细观察，发现HR-A样品在热处理后形成了更细小的等轴奥氏体晶粒和高密度的纳米碳化物。此外，透射电子显微镜和高分辨透射电子显微镜的使用进一步揭示了纳米碳化物的形貌和分布情况，为理解其强化机制提供了重要依据。

在机械性能测试中，研究人员通过拉伸试验对样品的强度和延展性进行了评估。结果显示，HR-A样品的抗拉强度和总延伸率均优于其他处理样品，表明其在综合性能方面具有显著优势。同时，扫描电子显微镜观察到的断口形貌进一步支持了这一结论，HR-A样品的断口表现出更多的小尺寸缩孔和一些夹杂物，表明其具有更好的韧性。相比之下，HR样品的断口显示出较多的解离面，对应其较差的延展性。

本研究的成果不仅为高强微合金马氏体钢的制造提供了新的工艺思路，还为其他高强度钢材和非铁合金的开发提供了参考。通过结合带铸技术和短时再加热，研究人员成功实现了纳米碳化物的高效形成和分布，从而在提升强度的同时保持了良好的延展性。这种工艺的环境友好性和经济性使其在实际生产中具有较大的应用潜力。未来的研究方向包括进一步优化工艺参数以实现更显著的微观结构细化和更好的强度-延展性平衡，以及评估纳米碳化物在实际服役条件下的长期稳定性和性能表现。同时，探索该工艺在其他合金体系中的适用性，将有助于拓展其应用范围，推动高性能材料的进一步发展。