《Materials Research Bulletin》：Revealing carbon diffusion-driven substructure evolution and micromechanical heterogeneity in low-carbon martensitic steel
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低碳马氏体钢的碳扩散行为、亚结构演变与纳米硬度关系研究及其对高强高韧钢开发的指导意义。
Jianhui Yan|Peng Xue|Wei Li|Li You|Xiaodong Zhu|Laiqi Zhang
北京科技大学先进金属与材料国家重点实验室，北京，100083，中国
摘要
低碳马氏体钢在加工和使用过程中容易发生局部裂纹，这与它的层次化微观结构密切相关。本研究系统地表征了低碳马氏体钢的碳分布行为、微观结构特征以及局部纳米硬度，并探讨了由碳扩散驱动的微观结构演变和微观力学异质性机制。研究结果表明，马氏体转变过程中碳的扩散能力逐渐降低，从而形成了低碳、中碳和高碳区域。随着碳含量的增加，转变抗力提高，马氏体块从凸起区域（PR）转变为凹陷区域（DR）和混合区域（MR），板条宽度逐渐减小。此外，碳在PR、DR和MR中的固溶强化效应增强，导致纳米硬度相应提高。DR中的?-碳化物和MR中的细小板条通过沉淀和界面强化进一步提高了纳米硬度。调控碳扩散行为为调节微观结构和微观力学异质性提供了有前景的策略，为开发具有优异强度-韧性协同性的先进钢材提供了关键见解。
引言
由于成本低廉且强度高，低碳马氏体钢在汽车工业中得到广泛应用[1,2]。然而，其相对较低的延展性和韧性常常导致加工和使用过程中的局部裂纹。这一问题与低碳马氏体钢的层次化微观结构密切相关，该结构包括团块、块状组织和板条[3,4]。先前的研究表明，块状组织是控制强度的关键单元[5,6]，而板条组织对韧性至关重要[7,8]。进一步的研究发现，在变形过程中，应变局部化发生在低碳马氏体内部和块状组织的边界[9,10]。这些发现突显了马氏体微观结构在低碳马氏体钢力学性能中的关键作用。
目前关于马氏体微观结构对力学性能影响的研究主要集中在几何因素（包括尺寸效应[[11], [12], [13]]和晶体取向变化[[14], [15], [16]]上。虽然这些研究为静态结构描述提供了有价值的见解，但未能系统地理解马氏体微观结构的动态演变及其与力学性能的内在联系。从根本上说，碳是钢材微观结构-性能关系中的关键中介。在多相系统中，碳在相之间的分配决定了材料的整体性能[17,18]。对于单相低碳马氏体钢，碳原子在水淬过程中会扩散到能量较低的位置[19]。研究表明，这一过程涉及碳簇的形成、碳在位错或空位处的偏聚以及碳化物的沉淀[[20], [21], [22]]。然而，由于三维原子探针（APT）的检测范围有限，无法获得微观结构中碳的总体分布[23]。这一限制可能导致忽视了碳扩散行为与微观结构的直接耦合，从而可能产生影响整体性能的局部微观结构和微观力学梯度。此外，尽管宏观/微观拉伸试验[24,25]和维氏硬度试验[26]被广泛用于测量宏观性能和复合响应，但它们无法提供各个组分的详细特征。因此，将适当的元素分布分析与微观力学表征方法相结合，可以有效地揭示淬火过程中的关键机制，而这在现有文献中尚未得到充分讨论。
本研究建立了一个综合的多尺度表征框架，以揭示低碳马氏体钢中碳扩散、微观结构演变和微观力学异质性之间的内在联系。通过集成场发射电子探针微分析（EPMA）、电子背散射衍射（EBSD）、透射电子显微镜（TEM）和纳米压痕等先进技术，系统地研究了碳的空间分布、板条马氏体和碳化物的层次化演变以及亚微米尺度上的微观力学响应。采用聚焦离子束（FIB）系统进行精确的位点特异性采样和多维相关性分析。这项工作不仅阐明了微观结构演变和微观力学异质性背后的扩散驱动机制，还为下一代高强度、高韧性钢材的结构设计及性能优化提供了理论基础和技术途径。
材料制备
为便于说明，本研究中使用的低碳马氏体钢标记为MS钢。MS钢来源于工业生产线，经过炼钢、连续铸造、热轧、酸洗、冷轧和连续退火等一系列工艺。MS钢热轧带的厚度为3毫米，冷轧后的最终厚度为1.2毫米。其化学成分如下：C 0.19、Si 0.27、Mn 1.62、P 0.0083、S 0.0007、Al 0.026、Nb
碳分布行为
图1(a)显示了MS钢的板条结构，其特征为明显的波动。根据不同层次化微观结构单元的方向排列和空间分布特征，标记了原始奥氏体晶界（PAGB）[12]。图1(b)中清晰可见原始奥氏体晶粒（PAGs）内的微观结构。每个马氏体团块由多个区域组成，每个区域代表不同的马氏体块。
微观结构演变
根据表面形貌，MS钢中的马氏体块可以分为三种类型：PR、DR和MR（图1）。其中，PR和DR通常包含一个马氏体板条，而MR由多个板条组成。理解这些形态差异对于阐明它们相应的微观结构特征至关重要。然而，现有研究很少探讨低碳马氏体钢中表面形貌与微观结构类型之间的关系。
结论
通过全面分析碳扩散行为、微观结构特征和局部纳米硬度，本研究系统地揭示了低碳马氏体钢中由碳扩散驱动的微观结构演变和微观力学异质性。主要结论如下：
(1)碳扩散通过控制转变抗力来影响马氏体块的类型和板条的宽度。
作者贡献声明
Jianhui Yan：正式分析、研究、方法论、初稿撰写、审稿与编辑。Peng Xue：研究、资源获取、审稿与编辑。Wei Li：研究、撰写、审稿与编辑。Li You：数据整理。Xiaodong Zhu：研究、资源获取。Laiqi Zhang：概念构思、研究、资源获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了“先进材料-国家重点科技项目”[编号：2025ZD0611102]、“国家重点研发计划”[编号：2024YFB3715402]以及“国家自然科学基金”[编号：52071021和51871012]的支持。
