循环淬火对中碳Cr-Ni-Mo-V钢马氏体变体选择及强韧化机制的调控作用研究

针对中碳低合金钢强韧性难以协同提升的行业难题，中国研究人员通过多周期循环淬火（CQT）工艺调控原奥氏体晶粒（PAG）尺寸，发现三次淬火（CQT3）样品获得1311 MPa屈服强度与55.5 J（-40℃）冲击功的优异性能。该研究揭示了马氏体变体（K-S OR）选择性强化与裂纹路径改变的强韧化机制，为大型锻件微观结构优化提供了新理论支撑。

　　

在航空起落架、高压容器等关键部件制造领域，中碳Cr-Ni-Mo-V二次硬化钢因其高强度备受青睐，但传统淬火工艺导致的残余应力与强韧性矛盾始终是行业痛点。尽管热机械控制工艺（TMCP）能将原奥氏体晶粒（PAG）从30 μm细化至5 μm以下，但大型锻件单次淬火难以实现均匀马氏体组织。更棘手的是，现有研究多聚焦马氏体晶体学特征（如K-S变体理论），却鲜少揭示其与冲击性能的关联机制。

为此，中国研究团队创新性地采用多周期循环淬火工艺（CQT），通过SEM（扫描电镜）、EBSD（电子背散射衍射）和TEM（透射电镜）技术，结合MATLAB变体选择分析系统，探究了PAG尺寸对马氏体相变及性能的影响规律。研究发现：随着淬火周期增加，PAG尺寸从传统淬火（QT）的23.6 μm降至CQT3的8.3 μm，马氏体板条宽度同步减小至0.42 μm；更关键的是，EBSD分析显示CQT3样品高角度晶界（HAGB）比例达76.5%，显著高于QT的62.1%。这种微观结构优化使CQT3获得1592 MPa抗拉强度的同时，-40℃冲击功提升至55.5 J，突破"强度-韧性倒置"定律。

材料制备
研究选用Φ396 mm×10,000 mm电渣重熔锻坯，经930℃奥氏体化后分别进行1-3次（Ac₃+50℃）快速循环淬火，并与传统淬火回火（QT）对比。

微观结构特征
SEM显示CQT3样品中原奥氏体晶界（PAGB）密度最高，TEM证实其位错密度较QT提高1.8倍。EBSD重构发现CQT3中K-S变体选择从均匀分布转向优先形成CP组变体，这种选择性增强使相邻变体间取向差增大，有效阻碍裂纹扩展。

PAG尺寸对变体选择的影响
通过MATLAB变体重构算法证实：细晶化促使变体选择从Bain群转向CP群优势生长，CQT3中CP群变体占比达67.3%。这种取向优化使裂纹扩展路径从直线型转变为锯齿型，消耗更多断裂能。

结论与意义
该研究首次阐明循环淬火通过三重机制协同强韧化：1）晶界强化（HAGB比例提升）；2）位错强化（位错密度增加）；3）变体选择调控（CP群优势取向）。这不仅为大型锻件组织控制提供新工艺路径（如Ac₃+50℃短时保温设计），更从晶体学角度揭示了马氏体变体选择与强韧性的构效关系。研究团队黄春东等人改进的奥氏体重构算法，将传统K-S关系（111）γ惯习面假设的定性分析推进至定量预测阶段，对开发新一代超高强韧钢具有重要指导价值。