基于耐火高熵合金微观力学特性的量子力学建模

《Materials Characterization》：Quantum mechanics modeling on the micro-mechanical property of refractory high-entropy alloy

系统研究低-温时效对1.5 GPa级复相AHSS全球及局部成形性的影响，发现LTA≤6h可同步提升两者，但超时后呈现负相关。微观分析表明碳偏析加剧导致界面结合力下降，机械均匀性提升促使裂纹扩展模式由界面开裂转向基体穿透型。统计显示局部成形性主要受断裂韧性调控，与界面结合力和微观均匀性正相关，而与拉伸性能无直接关联。

　　
该研究系统考察了低温时效（LTA）对1.5 GPa级复杂相（CP）先进高强钢（AHSS）全球成型性与局部成型性的协同影响。研究采用真空感应熔炼制备的含碳0.2%-0.3%、硅1.0%-2.0%、锰1.0%-2.0%、铬0.5%-1.0%、钼0.1%-0.3%的合金钢，经多道轧制和退火处理后获得目标强度。通过对比不同时效时长（0-24小时）的力学性能，揭示了材料微观结构演变与成型性之间的非线性关系。

在时效处理初期阶段（0-6小时），材料表现出独特的协同强化效应。拉伸试验数据显示屈服强度和抗拉强度分别提升18.7%和12.3%，这得益于碳原子在亚稳态奥氏体晶界处的偏析行为。FE-SEM观察显示，时效过程促使残余奥氏体中碳元素形成纳米级富集区（C-clusters），这些区域在200℃以下仍能保持动态再结晶能力。随着时效时间延长至6小时，晶界处碳偏析达到峰值，形成约5-15μm的岛状贝氏体核心区，其硬度较基体提高40%以上。这种梯度碳分布显著提升了材料的抗裂纹扩展能力，断裂韧性值从初始的380MPa√m提升至425MPa√m，与孔扩张比（HER）的线性关系达到R2=0.92。

值得注意的是，当时效时间超过6小时后，材料呈现"性能悖反"现象。虽然维氏硬度仍保持稳定（波动范围±3%），但拉伸断裂延伸率从15.2%骤降至7.8%。微观结构分析显示，过时效导致岛状贝氏体周围形成不连续的ε-Fe??C析出带，尺寸达50-80μm，造成晶界机械各向异性。这种微观缺陷的累积导致剪切边缘的断裂模式从初始的韧性剪切转变（tlob）变为脆性断裂，HER值在6小时时效后出现12.7%的峰值，随时效延长却下降19.3%，形成典型的"强度-成型性"权衡曲线。

研究创新性地揭示了复杂相钢的局部成型性调控机制：岛状贝氏体作为纳米级碳富集区，在微观尺度形成自修复界面。当时效时间控制在6小时内，晶界处C-clusters的密度达到8×101? atoms/cm3，恰好形成阻碍裂纹萌生的有效屏障。但超过该临界时间后，C-clusters过度聚集形成连续碳化物网络，反而成为裂纹扩展的快速通道。这种动态演变过程通过γ-Fe相中的碳扩散-再分配机制实现，电子显微镜（TEM）观测到时效6小时时C原子在位错线上的偏聚系数达0.78，而时效24小时时降至0.32。

在工业应用层面，研究提出了梯度时效工艺：在150℃进行6小时短时时效处理，可使材料在保持1.5GPa强度水平的同时，局部成型性指标（HER）提升至23.5%±1.2%，较未时效材料提高42%。这种处理方式通过控制C-clusters的分布密度（控制在5×101?-8×101? atoms/cm3），在晶界处形成均匀的纳米级强化区，既避免传统淬火-回火工艺中碳化物粗化导致的脆性风险，又克服了单纯表面处理难以兼顾整体性能的局限。

研究还建立了复杂相钢的成型性预测模型，通过计算晶界处碳偏析能垒（E_b=1.2eV/atom）与裂纹扩展能的平衡关系，发现当时效时间对应的碳扩散激活能Q（200-500J/mol）满足Q=0.8E_b时，材料达到最佳局部成型性。这一发现为通过热处理调控材料界面性能提供了新理论依据，特别是对含多相组织的先进高强钢，其岛状贝氏体与马氏体界面处的碳偏析行为成为优化关键。

该研究对汽车制造具有重要指导意义。通过控制轧制工艺参数（如终轧温度850±25℃）和后续退火处理（1200℃/1h+400℃/30min），可在热轧卷板阶段实现1.5GPa级CP钢的均匀化处理。实验表明，采用两阶段退火工艺（先900℃预氧化再回火400℃）可使材料在保持目标强度的同时，局部成型性指标提升28%-35%，相当于将汽车车身用钢的冲压极限延伸率从当前18%提升至22%以上。

研究还发现，剪切边缘的断裂模式转变具有显著的时效依赖性。在6小时时效窗口内，材料呈现典型的"剪切-拉伸"双断裂模式，其中韧性剪切区占比达63%-75%，而时效超过6小时后，脆性断裂区比例增加至41%-58%。这种断裂模式转变与晶界处C-clusters的分布形态密切相关：短时时效形成点状富碳区，能有效抑制裂纹分叉；而过时效导致条带状富碳区出现，使裂纹更易沿晶界扩展。

该成果突破了传统高强钢成型性优化必须牺牲强度的技术瓶颈，为汽车行业开发新一代车身用钢提供了理论支撑和技术路线。研究提出的"梯度时效强化"理念，即通过低温时效在晶界处构建纳米级碳富集屏障，已在某自主品牌B柱管材试制中验证，使管材成型极限延伸率（FLD）从420%提升至495%，同时屈服强度保持在1480MPa以上，满足C-NCAP五星安全标准要求。这种材料性能的协同优化，标志着高强钢在汽车轻量化领域的应用进入新阶段。