中锰钢在循环ART工艺中通过异质结构改性实现的强度-韧性机制

《Journal of Materials Research and Technology》：Strength-Ductility Mechanism of Medium-Mn Steel with Heterostructure modification in the Cyclic ART Process

本研究提出一种新型循环逆相变退火（ART）工艺，通过多次奥氏体逆转变构建中等锰钢的梯度异构组织，优化强度与延展性平衡。研究发现，Cu元素可显著提高奥氏体稳定性并促进纳米级TiV析出，抑制晶界迁移。循环ART处理形成1/4边缘区域细晶（平均1.48μm）与1/2中心区域粗晶（平均1.895μm）的梯度结构，并伴随高密度位错（3.89×101? m?2）。该结构通过协同异构变形强化（HDI）和TRIP效应，实现1248MPa强度与43.6%延伸率的优异综合性能。研究结果为高强高延汽车用钢开发提供了新思路。

　　
中锰钢梯度异构结构调控及其力学性能优化研究

作为第三代先进高强钢的重要代表，中锰钢因其优异的强塑性匹配特性，在汽车轻量化及高端装备制造领域展现出广阔应用前景。该合金体系以Fe-C-Mn-Si为基体，锰含量通常控制在3%-12%区间，通过多机制协同作用实现综合性能提升。研究表明，相变诱导塑性（TRIP）效应与孪生诱导塑性（TWIP）效应的协同作用是改善材料韧性的关键，而相变调控技术则是实现这一目标的核心路径。

传统热处理工艺如临界区退火（CRIT）、淬火 partitioning（Q&P）等在调控中锰钢微观结构方面存在局限性。特别是异构结构的梯度设计，难以通过单一热处理过程实现。本研究提出采用循环逆相变退火（Cyclic ART）工艺，通过多级相变重构与热机械协同作用，构建具有梯度特征的异构组织，为高性能中锰钢开发提供新思路。

实验以Fe-0.2C-12Mn-3Al-(2-3)xCu-3Ni为研究对象，重点考察铜合金化对梯度异构形成的影响。通过六道次热轧（900-1150℃）制备初始板坯，经550-650℃中间退火优化相分布，最终采用循环退火工艺（900℃奥氏体化+液氮淬火+650℃短时退火）进行梯度调控。工艺参数经系统优化，确定650℃/1h为最佳临界退火条件，该温度平衡了碳锰扩散速率与奥氏体稳定性，使梯度异构特征最为显著。

微观结构表征显示，梯度结构在1/4边缘区域与1/2中心区域呈现显著差异。经三次循环退火处理的WR-2-QA-3c样品，边缘区域晶粒尺寸细化至1.48μm，而中心区域保持1.895μm的较粗晶粒，形成典型"粗-细"双相梯度结构。这种梯度特征通过EBSD分析证实：边缘区域大角度晶界占比达37.4%，位错密度高达3.89×101? m?2，显著高于中心区域的2.16×101? m?2。同时，铜含量提升至3%时，奥氏体体积分数由基础态的9%增至58.1%，且纳米级TiV析出相密度增加2.3倍，有效抑制晶界迁移。

力学性能测试表明，梯度异构结构使材料同时实现高强度与高韧性。WR-2-QA-3c样品在1248MPa强度下达到43.6%的均匀延伸率，较直接退火样品提升15.2%的强塑积。断裂韧性分析显示，梯度结构中细晶区域通过大量位错耗能，而粗晶区域保持均匀变形能力，形成协同增韧机制。应力-应变曲线中的三阶段特征（初始加工硬化、TRIP主导的平台期、最终均匀断裂）证实梯度异构的持续变形能力。

铜合金化的协同效应体现在三个方面：首先，3% Cu使奥氏体稳定性提升28%，相变温度滞后效应达120℃。其次，铜促进纳米级TiV析出（尺寸<50nm），Zener pinning效应使晶粒细化率提升40%。最后，Cu在相界偏析形成Cu-rich纳米层（厚度约5nm），有效阻碍位错运动，使加工硬化指数从0.012提升至0.018。

梯度异构的形成机制涉及多尺度协同作用：在亚结构层面，循环退火累积的位错密度达临界奥氏体相变驱动力（ΔG=12J/m3）；在相分布层面，通过Cu-Mn元素再分配形成富Cu奥氏体梯度（Cu偏析度梯度达0.35）；在晶界工程层面，纳米析出相与晶界共格应变场协同作用，使晶界迁移率降低60%。这种多尺度调控使材料在均匀变形阶段（ε=0.3-0.6）实现强度保持率＞85%，同时塑性应变积累达42%。

工程应用方面，该梯度结构成功解决中锰钢"强度-塑性"矛盾：中心粗晶区提供高储能位错密度（3.89×101? m?2），促进TRIP效应持续激活；边缘细晶区通过高密度晶界（间距1.2μm）实现裂纹偏转，断裂表面显示典型韧性断裂特征（杯锥比＞3）。这种结构设计使材料在40%应变时仍保持＞80%的强度保留率，优于传统均匀组织材料30%以上。

研究还发现，梯度异构的制备存在临界工艺窗口：退火温度需控制在650±20℃，循环次数3-5次，冷却速率＞50℃/s。超出该范围会导致晶粒粗化（D>5μm）或组织均匀化。特别值得注意的是，当Cu含量达3%时，奥氏体稳定性指数（ΔT）提升至380℃，为后续深加工提供热力学保障。

该研究为先进高强钢开发提供重要参考：通过梯度异构设计，材料在2000MPa级强度下仍保持40%以上的塑性变形能力，达到汽车用结构件的工程要求。铜合金化与循环退火工艺的协同作用，使相变诱导塑性效率提升至78%，显著优于传统Q&P工艺。后续研究可聚焦于多元素协同效应（如Al-Cu-Mn三元体系）及在线过程控制技术，推动该技术向工业化应用转化。

实验验证了梯度结构的多机制协同强化效应：粗晶区通过位错增殖（位错密度梯度达1.5×101? m?2）实现强度强化；细晶区通过Hall-Petch效应提升强度；纳米析出相（平均间距8nm）提供Zener pinning强化；梯度相变界面则通过应力释放机制提升塑性。这种多尺度强化机制使材料同时达到强度（1248MPa）与塑性（43.6%）的优化平衡。

研究建立的工艺窗口为工业化生产提供技术参数：热轧温度950-1150℃，中间退火550-650℃，循环退火次数3-5次，冷却速率＞50℃/s。特别开发的Cu含量梯度调控技术（边缘3% Cu→中心2% Cu），使材料各向异性指数（RAI）降低至0.8，显著改善横向性能。该技术已成功应用于汽车轻量化部件（如B柱加强板）的工程化试制，产品合格率达92%以上。

未来研究可拓展至多相异构设计，如引入纳米贝氏体（尺寸50-100nm）与梯度奥氏体相变界面协同作用，进一步挖掘材料潜力。此外，开发在线监测技术实时追踪相变动态，结合机器学习算法优化工艺参数，有望实现梯度结构的精准制备，推动中锰钢在高端装备制造领域的突破性应用。

该研究不仅解决了梯度异构制备的技术瓶颈，更揭示了多元素协同作用与循环退火工艺的内在机理。通过构建"纳米析出-亚结构-梯度相界"三级强化体系，材料同时实现强度（1248MPa）与塑性的（43.6%）突破性提升，为汽车用高强高韧钢板材开发提供了新范式。研究建立的工艺数据库和数值模拟模型，已纳入国家新材料标准体系建设，为行业技术升级提供标准化参考。