化学异质淬火配分钢中配分时间对微观结构与性能的调控机制研究

针对Si/Al-free淬火配分(Q&P)钢中碳扩散调控难题，研究人员通过构建Mn异质分布的高温奥氏体，系统研究了配分时间对Mn贫化马氏体向Mn富集奥氏体碳扩散的影响。发现短时配分(5 min)导致奥氏体碳分布不均形成未回火"幽灵珠光体"，而长时配分(120 min)使碳分布均匀化(5.22±0.22 at.%)，形成稳定奥氏体(RA)。该研究为无Si/Al添加条件下通过Mn异质化调控Q&P钢性能提供了新思路。

　　

在钢铁材料领域，如何同时提升强度与延展性始终是研究者面临的重大挑战。传统淬火配分(Quenching & Partitioning, Q&P)工艺通过碳配分稳定残留奥氏体(Retained Austenite, RA)，利用相变诱导塑性(TRIP)效应实现性能优化，但通常需添加Si/Al抑制碳化物析出。近年来，通过构建化学异质高温奥氏体来调控RA稳定性成为新方向，其中Mn元素分布对碳扩散的关键作用尚不明确。

中国某高校团队在《Materials Characterization》发表研究，创新性地以Mn分区珠光体为前驱体，通过快速短时奥氏体化构建Mn异质分布，系统探究了配分时间(5-240 min)对Fe-0.39C-3.69Mn(wt%)钢的影响。采用热模拟试验机结合盐浴热处理构建初始组织，通过TEM-EDS线扫描定量Mn分布，结合XRD和拉伸试验分析微观结构与性能关联。

Mn异质高温奥氏体的构建
通过570℃盐浴处理6小时获得Mn分区珠光体，其中渗碳体Mn含量(U_Mn
)达20.4±5.2%，而铁素体仅2.2±0.3%。750℃短时奥氏体化后形成Mn富集(8.5±1.2%)与贫化(2.8±0.4%)区域交替分布的异质结构。

配分时间对碳扩散的影响
短时配分(5 min)导致奥氏体内碳浓度不均，Mn低浓度区域转变为马氏体，形成未回火"幽灵珠光体"；而120 min配分使碳均匀分布(5.22±0.22 at.%)，形成回火态结构。值得注意的是，Mn贫化马氏体中未发现碳化物析出，证实Mn梯度有效促进碳向Mn富集RA扩散。

微观结构演变规律
随配分时间延长，薄膜状RA宽度从42.1±10.3 nm增至53.8±14.1 nm，RA分数稳定在20%左右。但短时配分产生的新鲜马氏体与长时配分导致的RA分解均对延展性产生不利影响。

力学性能变化机制
屈服强度随配分时间延长而下降，归因于马氏体基体中碳浓度和位错密度降低。最优性能出现在中间配分时间，此时RA稳定性与TRIP效应达到平衡。

该研究首次阐明Mn异质分布对无Si/Al添加Q&P钢碳配分行为的调控机制，突破传统合金设计限制。通过精确控制配分时间可实现"幽灵珠光体"形态调控，为开发新型高强韧钢提供理论依据。研究证实化学异质化设计可替代Si/Al添加抑制碳化物析出，这对简化合金成分、降低成本具有重要工程意义。