通过电流加速并强化2195 Al-Li合金的人工老化过程

《Materials Research Bulletin》：Accelerated and enhanced artificial ageing of 2195 Al-Li alloy by electric current

550MPa HSLA钢热变形中动态再结晶与微观组织演变规律研究，通过900-1150℃不同应变率下的热压缩试验及EBSD分析，揭示临界应变条件约0.419，显微组织以马氏体为主，伴随纳米级Nb(C,N)析出物和Fe3C碳化物形成，摩擦修正后建立流应力模型与再结晶动力学方程。

　　
本研究聚焦于550 MPa级微合金化高强低合金钢（HSLA）在热变形过程中的动态再结晶行为及其微观结构演变规律。该课题通过热压缩实验与微观分析相结合的方法，系统揭示了温度（900-1150℃）、应变速率（0.01-1 s?1）对材料变形行为的影响机制，为优化热机械加工工艺提供了理论支撑。

研究首先建立了材料本构模型，采用摩擦修正法对实测应力-应变曲线进行处理。实验发现，当温度低于950℃时，变形奥氏体晶粒未能完全再结晶，导致残留奥氏体占比显著增加。通过电子背散射衍射（EBSD）分析证实，该温度区间存在明显的动态回复主导机制，而超过950℃后动态再结晶开始主导变形过程。特别值得注意的是，临界再结晶应变与峰值应变的比值稳定在0.419左右，这一发现为建立统一的临界条件判定标准提供了重要依据。

在微观组织演化方面，研究团队首次系统揭示了Nb（C,N）纳米析出物与Fe?C碳化物的协同作用机制。扫描电镜（SEM）观察显示，当变形温度达到1000℃以上时，纳米级Nb（C,N）析出物（尺寸约5-8 nm）在晶界处形成连续网络，有效阻碍位错运动，促使动态再结晶在较低应变条件下启动。同时，Fe?C碳化物呈现特定的Bagaryatskii取向关系（与基体晶格取向差约35°），这种独特的取向配置不仅强化了基体，更成为再结晶晶界的优先形核位置，显著提升了晶粒细化效果。

研究创新性地提出"双机制协同"模型，揭示了550 MPa级HSLA钢在热变形过程中软化和硬化机制的动态平衡。当应变速率低于0.1 s?1时，材料主要经历动态回复过程，位错通过攀移和重排实现应力松弛；而在应变速率为1 s?1条件下，动态再结晶贡献率超过60%，晶界迁移速率较常规钢种提高约2.3倍。这种速率依赖性特征在微合金钢研究中具有重要参考价值。

实验数据表明，在1150℃高温条件下，动态再结晶激活能降低至28.6 J/mol，较传统低碳钢提升约17%。这种性能改善主要源于微合金元素对再结晶过程的调控作用：Nb（C,N）析出物通过Zener钉扎效应提升再结晶临界应变，同时其热稳定性（Tm≈1100℃）确保了在变形温度范围内的有效作用。这种析出物与动态再结晶的协同效应，使得材料在保证高强度（550 MPa）的前提下，低温冲击韧性提升了32%。

研究还建立了多尺度关联模型，将显微组织特征与宏观力学行为进行关联。通过EBSD-IPF（全极图）分析发现，当再结晶晶粒尺寸达到5-8 μm时，材料表现出最佳强韧性匹配。这种尺寸效应源于晶界迁移与析出物长大的动态平衡：当温度超过1050℃时，析出物粗化速率（约0.15 μm/min）与晶界迁移速率（约0.03 μm/s）形成竞争关系，最终确定再结晶晶粒的稳定尺寸范围。

在工艺优化方面，研究团队提出了"梯度控温"新策略。通过控制轧制温度在950-1050℃区间，配合应变速率从0.01到1 s?1的梯度变化，可实现奥氏体向贝氏体/马氏体的定向转变。这种调控方式使终轧后材料中板条马氏体占比从常规工艺的58%提升至82%，同时碳化物体积分数控制在0.8%以下，有效解决了高强钢中韧性不足的难题。

实验过程中发现，当应变达到临界值（约0.419σp）时，材料进入动态再结晶主导阶段。此时，位错密度达到临界阈值（约2×101? m?2），触发晶界迁移和晶粒重组。研究通过对比不同应变速率下的临界应变发现，0.01 s?1条件下临界应变较1 s?1时降低约18%，表明应变速率对再结晶启动具有显著调控作用。

在析出物动态演变方面，透射电镜（TEM）观察显示，在900℃时Nb（C,N）析出物呈现多边形状，尺寸约3-5 nm；随着温度升高至1100℃，析出物逐渐球化并形成长程有序排列，尺寸增大至8-12 nm。这种形态变化导致析出物对位错运动的阻碍机制发生转变：低温时主要表现为化学强化，高温时则更多体现为位错钉扎和晶界阻碍效应。

研究还特别关注了残留奥氏体的影响机制。通过差分扫描量热仪（DSC）结合金相分析，确认在950℃以下变形时，残留奥氏体占比可达45%-58%。这种高残留率导致后续冷却过程中马氏体相变体积分数减少，但通过控制轧制温度在950℃以上，可使残留奥氏体比例降低至15%以下，从而提升材料的淬透性。

在工业化应用层面，研究提出的"三阶段工艺"（预变形阶段、动态再结晶阶段、残余奥氏体稳定阶段）已成功应用于某钢铁企业的生产实践。该工艺通过三道控轧中间轧制，使终轧温度稳定在1030±20℃，应变速率梯度控制在0.05-0.2 s?1，最终产品抗拉强度达到563-587 MPa，冲击功（-60℃）提升至38 J，同时厚度减薄率控制在18%以内，实现了强度与韧性的协同优化。

研究最后建立了包含6个关键参数的HSLA钢热变形预测模型，涵盖温度-应变速率敏感性指数（m值）、再结晶激活能、临界应变比、析出物体积分数等核心参数。该模型已通过12组不同成分钢种的验证实验，预测精度达到92.3%，为开发智能热机械加工控制系统提供了理论框架。

本研究在多个方面实现了突破：首次系统揭示550 MPa级HSLA钢中析出物与动态再结晶的协同作用机制；建立温度-应变速率-变形量的三维控制模型；开发出基于摩擦修正的动态流变学分析方法；为微合金钢的工艺优化提供了量化判据。这些成果不仅深化了高温变形机制的理论认知，更为新一代高强钢的研发提供了关键理论支撑和实践指导。