低应变冷轧与快速低温退火协同构建多模态异质结构低碳钢：强度-塑性协同提升机制与工程应用

针对传统低碳钢强度与塑性难以协同提升的难题，研究人员通过低应变冷轧结合快速低温退火技术，在Q215钢中构建了由回复晶粒、变形晶粒和再结晶晶粒组成的多模态异质结构（MHE）。该结构通过应变分配机制（DSA）实现527 MPa屈服强度与14.2%延伸率的优异平衡，其性能接近先进高强钢（AHSS）水平，同时保留低成本优势，为低碳钢高性能化提供了新范式。

　　

钢铁作为全球应用最广泛的结构材料，其强度与塑性的"此消彼长"始终是材料领域的经典难题。传统低碳钢如Q215虽具有良好塑性和低成本优势，但屈服强度通常不足250 MPa，难以满足高端装备轻量化需求。以往通过晶粒细化或相变强化的手段往往以牺牲塑性为代价，而中锰钢等先进高强钢又面临合金成本高昂的问题。如何通过微观组织设计打破这一僵局，成为学术界和产业界共同关注的焦点。

针对这一挑战，中国某研究团队创新性地将高熵合金（HEA）中发展的热机械处理策略引入低碳钢体系，提出"低应变冷轧+快速低温退火"的异质结构工程（Heterostructure Engineering）方案。研究人员以典型Q215低碳钢为研究对象，通过精确控制30%冷轧变形量和550-670°C区间快速退火工艺，成功构建了包含回复晶粒、变形晶粒和再结晶晶粒的多模态异质结构（Multimodal Heterostructure）。令人振奋的是，经640°C处理的样品展现出527 MPa屈服强度、563 MPa抗拉强度和14.2%延伸率的卓越综合性能，其强度-塑性积（8.0 GPa·%）远超常规处理工艺，甚至媲美某些高合金先进高强钢。

关键技术方法包括：采用电磁感应加热与喷射冷却系统实现100°C/s升温和50°C/s冷却的精确控温；通过电子背散射衍射（EBSD）定量分析再结晶分数；结合显微硬度测试区分三类晶粒（回复晶粒236 HV_0.01、变形晶粒311 HV_0.01、再结晶晶粒206 HV_0.01）；设计180°大角度弯曲实验结合晶粒长宽比统计解析应变分配行为。

3.1 微观组织与力学性能演变
通过冷轧-退火协同调控，材料呈现五种异质结构类型。30%冷轧+640°C处理形成理想的回复/变形双模式异质结构，其衍射质量峰位保持稳定，表明变形晶粒得以保留；而670°C处理时再结晶晶粒的出现导致强度显著下降。力学性能测试显示双模式结构具有最低的屈服比（R_p0.2/R_m=0.94），表明优异的应变硬化能力。

3.2 大角度弯曲下的协同变形
应变分配分析揭示三类晶粒的差异化作用：回复晶粒优先发生塑性变形；变形晶粒随应变增加逐步参与协调；再结晶晶粒在后期补偿应变能力。双模式结构中两类晶粒的长宽比差异（DSA指数）达0.42，远高于含再结晶晶粒的多模式结构（0.15），这解释了前者更优的强塑性组合。

4.1 多模式异质结构中的裂纹扩展
原位观察发现裂纹在双模式结构中呈现"绕硬穿软"特征：变形晶粒通过塑性钝化阻碍裂纹扩展，而回复晶粒则发生韧性断裂。值得注意的是，尺寸<5μm的再结晶晶粒会破坏晶界连续性，加速裂纹沿带状结构的扩展，这直接导致含再结晶晶粒样品延伸率下降30%。

4.2 异质结构强韧化机制
研究建立了"三阶段"变形模型：软相主导初始塑性变形→硬/软相协同变形产生几何必需位错（GND）→裂纹受阻阶段延缓断裂。双模式结构中，变形晶粒的高位错密度（通过BC图谱验证）既提供背应力强化，又通过阻碍裂纹扩展提升韧性。而50%冷轧导致的渗碳体颗粒化会引发应力集中，凸显低应变加工的重要性。

这项发表于《Materials》的研究具有双重突破意义：理论上，首次阐明低碳钢中三类晶粒的协同变形机制与裂纹扩展规律；应用上，开发出较传统工艺降本80%的高性能钢制备技术。研究提出的"低应变变形+快速低温退火"工艺窗口（30%冷轧+640°C）已具备产业化推广条件，为建筑、汽车等领域的轻量化设计提供了新材料解决方案。未来通过优化感应加热设备与激光测温精度，有望实现该技术在连续生产线上的大规模应用。