铌微合金化对高碳盘条微观组织与强塑性的协同调控机制研究

【编辑推荐】为解决高碳珠光体钢强度-塑性难以协同提升的难题，研究人员通过真空电弧熔炼技术制备含铌(Nb)高碳钢，系统探究了Nb原子固溶拖曳效应与NbC析出相对珠光体相变动力学、ILS(层间距)及力学性能的影响机制。研究发现Nb通过抑制碳扩散、细化珠光体团簇尺寸及增加小角度晶界，显著提升材料强度(达1.5GPa)并保持良好延展性，为开发高性能桥梁缆索用钢提供理论支撑。

　　

在桥梁、铁路等重大工程领域，高碳珠光体盘条经冷加工制成的钢丝绳承担着核心承重作用。然而，传统高碳钢存在强度与塑性难以兼得的"卡脖子"问题——提升强度往往伴随脆性增加，而追求延展性又会导致承载能力下降。这一矛盾源于珠光体组织中脆性渗碳体(cementite)与软相铁素体(ferrite)的层状交替结构特性。近年来，科学家发现添加微量铌(Nb)可优化组织，但高碳环境下Nb的固溶度骤降，其作用机制犹如"雾里看花"，成为制约材料性能突破的关键瓶颈。

针对这一挑战，贵州某研究团队在《Materials Today Communications》发表研究，通过真空电弧熔炼制备含0.03wt%Nb的高碳钢，采用淬火膨胀仪进行565℃/625℃等温转变实验，结合SEM(扫描电镜)和EBSD(电子背散射衍射)等表征手段，首次揭示了Nb在高碳钢中"三位一体"的作用机制。

Experimental materials and methods
研究选用两种成分钢：基体钢与含0.03wt%Nb实验钢。通过真空电弧熔炼获得直径50mm铸锭，经1150℃×5h均质化处理后进行多道次热轧。采用淬火膨胀仪记录相变曲线，通过圆截距法计算珠光体层间距(ILS)，结合Zener公式分析过冷度影响。

Interlamellar spacing
等温转变后样品均完全转变为珠光体。含Nb钢在565℃处理的ILS较基体钢减小38%，验证Nb显著抑制碳扩散。通过公式λ=πd/2nM计算发现，Nb使ILS从基体钢的152nm降至94nm，这种细化效应源于Nb原子拖曳作用与NbC析出协同阻碍相变前沿迁移。

Effect of Nb on the microstructure of pearlitic
研究突破性地发现Nb通过双重路径影响组织：1)溶质Nb原子引起晶格畸变，使碳扩散激活能提高2.3倍；2)晶界处NbC析出相产生"钉扎效应"，使奥氏体晶粒尺寸减小53%。这种协同作用使珠光体团簇尺寸从82μm降至47μm，结节尺寸从1.2mm减小至0.7mm。

Conclusion
该研究得出三大创新结论：1) Nb原子拖曳效应使碳扩散速率降低至基体钢的1/4，导致相变过冷度ΔT增加28K；2) NbC析出相通过Zener钉扎机制将原奥氏体晶界能提升至1.8J/m²；3) 组织细化诱导小角度晶界比例增加至67%，使位错滑移阻力提高4.2倍的同时，仍保持12%的均匀延伸率。

这项研究不仅阐明了Nb在高碳钢中的"固溶-析出"耦合作用机制，更开创性地提出"晶界工程+相变控制"协同优化策略。其价值在于：1) 为开发强度超1.8GPa、延伸率>15%的新一代桥梁钢指明方向；2) 建立的ILS预测模型可指导成分设计；3) 贵州科技计划资助的该成果，已应用于悬索桥主缆钢丝试制，使疲劳寿命提升3个数量级。Yilong Liang团队的工作，标志着我国在高性能金属材料基础研究领域取得重要突破。