中碳弹簧钢正常与异常晶粒生长过程中马氏体相变的原位观测及其对力学性能的影响机制

本研究通过高温激光扫描共聚焦显微镜（HT-LSCM）原位观测中碳弹簧钢在正常晶粒生长（NGG）和异常晶粒生长（AGG）条件下的马氏体相变行为，揭示了PAGs（原奥氏体晶粒）尺寸与分布对马氏体块形态、Ms/Mf温度及相变动力学的调控机制，为优化奥氏体化工艺提升弹簧钢强韧性提供理论依据。

　　

随着汽车工业对高性能弹簧钢需求的提升，中碳弹簧钢因其优异的力学性能成为研究热点。然而，原奥氏体晶粒（PAGs）尺寸与分布的不均匀性会导致材料脆性增加、疲劳寿命下降，这一问题在异常晶粒生长（AGG）条件下尤为突出。尽管前人已探索晶粒尺寸对马氏体相变的影响，但对AGG引发的双峰分布如何调控相变过程仍缺乏系统认知。为此，中国钢铁研究总院的研究团队通过创新性实验设计，首次揭示了AGG样本中马氏体相变的异步特性与"慢启动"现象，相关成果发表于《Materials Today Communications》。

研究采用真空熔锻-热轧工艺制备实验钢样，结合HT-LSCM原位观测、膨胀仪（DIL）和电子背散射衍射（EBSD）等多技术联用，系统分析了NGG（920°C奥氏体化）与AGG（1050°C奥氏体化）样本的相变动力学差异。关键技术包括：1）HT-LSCM配备高速摄影模块捕捉瞬态相变过程；2）EBSD母相重构定量表征PAGs分布；3）DIL精确测定M_s/M_f温度。

【Materials and heat treatment process】
实验钢成分为C 0.56wt%、Si 1.85wt%，经1200°C锻造后热轧至15mm厚板。通过调控奥氏体化温度（920°C/1050°C）分别诱导NGG（均质晶粒）和AGG（双峰分布）。

【Results】
HT-LSCM显示AGG样本呈现粗/细晶粒双峰分布（平均尺寸28.4±15.7μm），而NGG样本晶粒均匀（12.4±1.3μm）。DIL检测发现AGG的M_s（343°C）显著高于NGG（314°C），且相变曲线呈现两阶段特征：粗晶区优先形核的"慢启动"阶段（0-15%相变量），随后细晶区参与加速相变。

【Influence of PAG size and distribution】
EBSD分析表明：1）NGG样本马氏体块厚度（2.1±0.3μm）较AGG（3.8±0.5μm）减少42%，且更接近等轴形态；2）AGG中粗晶区马氏体变体选择性强，形成明显<111>γ织构，而细晶区变体随机分布。

【Conclusion】
本研究首次阐明AGG双峰分布通过时空异步相变影响马氏体组织演化：粗晶区因应变能垒低优先触发相变，但细晶区通过提供更多形核位点加速后期相变动力学。该发现为通过调控奥氏体化工艺优化马氏体组织提供了新思路——适度晶粒细化（NGG）可提升马氏体块均匀性，而避免AGG导致的性能各向异性。研究建立的HT-LSCM原位观测方法为相变动力学研究提供了范式转移，对开发新一代高强韧弹簧钢具有重要指导价值。