重新探讨马氏体钢的快速回火工艺：回火时间在碳化物细化和沉淀强化过程中的关键作用

《Journal of Materials Research and Technology》：Revisiting Rapid Tempering of Martensitic Steel: The Key Role of Tempering Time over Heating Rate in Carbide Refinement and Precipitation Strengthening

马氏体钢快速退火工艺中，短时退火（1秒）通过抑制碳化物粗化及均匀分布提升强度至2000MPa以上，同时保持10%以上延展性，优于传统长时间退火及合金化方法。

　　本研究聚焦于马氏体钢在快速回火与超短时间回火工艺下的性能变化，旨在揭示影响其微观结构与力学性能的关键因素，并为工业应用提供更具可行性的改进方案。马氏体钢因其卓越的强度和硬度被广泛应用于多个领域，特别是在汽车工业中，其高强度特性有助于减少零部件厚度和整车重量，从而提升燃油效率并降低二氧化碳排放。然而，马氏体钢的塑性较差，限制了其在某些应用场景中的广泛使用。为了改善这一问题，已有研究通过添加镍、铜等合金元素提高残余奥氏体含量，从而增强其韧性。然而，这种做法不仅增加了材料成本，也提高了冶炼难度。相比之下，回火是一种有效且经济的方法，能够提升马氏体钢的韧性与延展性。然而，传统回火会导致强度显著下降，因此，研究者们提出了快速回火工艺，通过高加热速率（通常超过100 °C/s）和显著缩短的回火时间，来细化回火马氏体中的碳化物，从而提升其硬度。实验表明，快速回火可以提高马氏体钢的冲击韧性，并克服回火脆化问题。尽管如此，关于快速回火中碳化物细化的机制仍存在争议，尤其是加热速率和回火时间在细化过程中的相对贡献。为了深入探讨这一问题，本研究系统地分析了加热速率（10-300 °C/s）、回火时间（1-240 s）和回火温度（300-600 °C）对马氏体钢微观结构和力学性能的影响。实验结果显示，碳化物的析出与加热速率几乎无关，而回火时间和回火温度对碳化物的密度和尺寸有显著影响。这意味着，即使在较低加热速率下采用极短的回火时间，也可以显著提高回火马氏体钢的强度，效果与快速回火相当。此外，观察到回火马氏体的块尺寸、位错密度和碳含量对加热速率的依赖性较小，这表明加热速率在影响材料性能方面的作用有限。

在实验方法方面，本研究采用了一种中碳低合金马氏体钢，其化学成分为0.39C-0.51Si-1.0Mn-0.54Cr（重量百分比）。通过电弧熔炼与铸造获得铸锭后，进行了高温均匀化处理（1250 °C，3小时），随后进行热轧（初始温度约1100 °C，最终温度约950 °C），并随空气冷却至室温。热轧后的板材经过打磨去除表面氧化物后，进行冷轧（从3毫米减薄至1.5毫米，减薄率50%）。冷轧后的板材在马弗炉中进行完全奥氏体化处理（850 °C），随后在真空环境中快速冷却至室温。回火处理在Gleeble? 3800热力机械处理模拟器上进行，试样尺寸为100 mm × 10 mm × 1.5 mm。实验在300 °C、400 °C、500 °C和600 °C的回火温度下，分别采用10 °C/s和300 °C/s的加热速率，回火时间分别为1秒和240秒。随后，试样通过氦气快速冷却至室温。

实验结果表明，对于给定的加热速率和回火时间，随着回火温度从300 °C升高至600 °C，试样的屈服强度和抗拉强度显著下降，而总延伸率显著上升。同时，观察到在相同的回火温度下，不同加热速率和回火时间对试样力学性能的影响几乎可以忽略。这意味着，回火时间和回火温度是影响回火马氏体钢力学性能的主要因素，而非加热速率。进一步分析显示，回火过程中碳化物的析出主要受回火时间影响，而与加热速率关系不大。在回火时间较短的情况下，碳化物的析出速度较快，导致其尺寸更小、数量密度更高，从而提升了材料的强度。相比之下，回火时间较长时，碳化物的尺寸和数量密度会显著增加，进而降低材料强度。

此外，实验还观察到，位错密度和碳含量在回火过程中对加热速率的依赖性较低。在相同的回火温度下，不同加热速率和回火时间对位错密度的影响微乎其微。这意味着，回火过程中位错密度的变化主要由回火时间决定。当回火时间较短时，位错密度较高，这可能是因为在快速加热过程中，位错的恢复速度较慢。而随着回火时间的延长，位错密度逐渐下降。因此，加热速率对位错密度的影响有限，尤其是在回火的初期阶段，位错的静态恢复具有较高的动力学特性。

通过XRD和EBSD等手段，对试样的微观结构进行了详细分析。结果表明，回火过程中碳化物的析出与块尺寸的变化密切相关。对于相同的回火温度和时间，不同加热速率对块尺寸的影响较小，而回火时间的延长会导致块尺寸的显著增加。这说明，回火时间是影响块尺寸变化的主要因素，而非加热速率。此外，通过XRD分析，观察到回火过程中碳化物的析出和溶解对材料的性能有重要影响。当回火温度较低时，碳化物的析出速度较快，导致其尺寸更小，数量密度更高。而随着回火温度的升高，碳化物的析出速度减缓，导致其尺寸和数量密度均有所下降。这表明，碳化物的析出和溶解主要受回火温度的影响，而非加热速率。

在讨论中，还提到了位错与第二相粒子的相互作用机制，即切穿机制和Orowan环机制。由于碳化物与马氏体基体之间的不协调性，位错与碳化物的相互作用主要以Orowan环机制为主。研究表明，当碳化物的尺寸超过一定范围时，Orowan机制的强化效果会显著增强。在本研究中，碳化物的尺寸和数量密度在不同回火条件下存在显著差异，尤其是在回火时间较长时，碳化物在高角度晶界处的尺寸明显大于块内。这说明，回火时间的延长会导致碳化物在不同位置的生长速率不同，从而影响其对材料性能的贡献。

此外，研究还探讨了回火过程中位错密度和碳化物析出对材料性能的具体影响。通过计算得出，当回火时间较短时，位错密度较高，而碳化物的析出速度较快，导致其尺寸更小、数量密度更高。这表明，回火时间是影响材料强度的主要因素，而加热速率的作用有限。因此，超短时间回火（回火时间1秒）在不牺牲延展性的前提下，可以显著提升马氏体钢的强度，这与传统回火相比具有更高的可行性。实验结果表明，即使在高温回火条件下，超短时间回火仍能保持较高的碳化物数量密度，从而提升材料的性能。

通过SEM和TEM图像的分析，进一步验证了碳化物在不同回火条件下的分布情况。结果显示，当回火时间较短时，碳化物主要在块内析出，且尺寸较小、数量密度较高。而随着回火时间的延长，碳化物在高角度晶界处的析出增多，尺寸也随之增大。这表明，回火时间的延长会导致碳化物在不同位置的生长速率不同，从而影响其对材料性能的贡献。因此，超短时间回火能够避免碳化物的过度生长，从而实现更均匀的碳化物分布和更高的材料强度。

研究还指出，回火过程中碳化物的析出与材料的塑性密切相关。当碳化物的尺寸较大时，其对位错的阻碍作用增强，从而提升材料的强度。然而，当碳化物的尺寸较小时，其对材料塑性的提升作用更为显著。这表明，碳化物的尺寸和数量密度是影响材料性能的关键因素。因此，通过优化回火时间和温度，可以实现对材料性能的进一步提升。

综上所述，本研究通过系统分析加热速率、回火温度和回火时间对马氏体钢性能的影响，提出了一种超短时间回火工艺，该工艺在不牺牲延展性的前提下，能够显著提升材料的强度。实验结果表明，即使在高温回火条件下，超短时间回火仍能保持较高的碳化物数量密度，从而实现更优异的性能。因此，超短时间回火是一种具有广泛应用前景的材料处理方法，为工业应用提供了新的思路和方案。