中锰钢中动态/静态铁素体再结晶与奥氏体逆转变之间的相互作用

《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》：Interactions between dynamic/static ferrite recrystallization and austenite reversion in medium Mn steel

中锰钢在热变形及后续退火过程中动态/静态再结晶与奥氏体逆转变的竞争协作机制研究，揭示了应变率对两者交互作用的影响规律，发现快速变形通过高密度缺陷促进静态奥氏体逆转变并抑制铁素体再结晶，形成带状分布的细小奥氏体；慢速变形则促使动态再结晶与逆转变协同，产生颈链状奥氏体，为优化热加工参数调控奥氏体特征提供新思路。

　　

郭琴仪|葛茹|王玉萌|胡斌|罗海文

北京科技大学钢铁冶金系，北京100083，中国

摘要

本文系统研究了中等锰含量钢（MMnS）在亚临界温变形过程中不同应变率下的微观结构演变以及随后的退火行为。微观结构的形成受到动态/静态铁素体再结晶与奥氏体逆转变之间竞争或协同作用的影响，而这些作用强烈依赖于应变率。快速变形提供了更多的晶核形成位点，并增强了随后退火过程中静态奥氏体逆转变的驱动力，同时由于竞争的加剧而显著抑制了铁素体的静态再结晶（SRX）。这导致形成了细小的奥氏体晶粒，这些晶粒沿着拉长的铁素体晶界呈带状分布。相比之下，在缓慢变形条件下，动态铁素体再结晶（DRX）和动态奥氏体逆转变可能同时以竞争或协同的方式发生。这导致奥氏体在等轴铁素体晶界处动态形核，最终形成项链状分布。这些发现为通过精确控制变形参数来加速奥氏体逆转变动力学和调控MMnS中的奥氏体晶粒特性提供了新的见解。

引言

近年来，由于具有优异的强度-成形性平衡，先进高强度钢（AHSSs）在汽车工业中得到了广泛应用[1,2]。对于具有更高强度和更好成形性的AHSSs的需求持续增长，因为这些材料有助于减轻车辆重量，从而降低能耗和碳排放。在各种AHSS候选材料中，中等锰含量钢（MMnSs）因其在相对较低的合金成本下具备高强度和优异的延展性而受到广泛关注[[3], [4], [5]]。

MMnSs的优异机械性能主要归因于变形过程中保留的奥氏体（RA）所诱导的塑性（TRIP）效应[6]。在这些钢材中，奥氏体通常在亚临界退火（IA）期间从铁素体或初始马氏体逆转变[7,8]。然而，这种逆转变过程需要溶质原子的扩散和晶格的重排，通常需要较长的退火时间。这样的长时间退火与工业生产中快速连续退火工艺不兼容。因此，加速奥氏体逆转变的策略对于MMnS的实际商业化至关重要。

变形诱导的晶格缺陷，尤其是位错，不仅提供了丰富的晶核形成位点[9]，还充当了快速扩散的通道[10,11]，从而加速了奥氏体逆转变。然而，严重变形的马氏体或铁素体基体也容易发生再结晶（Rex），这可能会消除位错，从而抵消这种加速作用[[12], [13], [14], [15]]。从热力学的角度来看，Rex降低了储存的能量，从而减少了奥氏体逆转变的驱动力[[16], [17], [18], [19]]；从动力学的角度来看，奥氏体的形成消耗了本可用于Rex的晶核形成位点，从而抑制了其进程[[20], [21], [22]]。逆转变与Rex之间的相互作用对热机械加工路线非常敏感。例如，将冷变形后的钢材缓慢加热到IA温度有利于在奥氏体逆转变之前完成Rex，而快速加热则可能导致Rex和逆转变同时发生，甚至逆转变先于Rex[13,[23], [24], [25]]。

最近，温变形因其在低于传统热变形温度下进行而受到关注，因为它能够引入更多的缺陷，从而细化微观结构并提高强度[[26], [27], [28], [29], [30]]。当应用于MMnS的铁素体（α）+奥氏体（γ）双相区域时，温变形有望加速奥氏体逆转变并细化微观结构，最终改善机械性能。然而，在这种条件下，逆转变和Rex可能在变形过程中动态发生，在随后的退火过程中静态发生[[31], [32], [33]]。它们的发生顺序和复杂的相互作用应会显著影响最终的微观结构和机械性能。然而，现有研究主要集中在冷变形和加热速率对静态逆转变和Rex的影响上[16,19,24,34]，对此方面的研究较少。

在这项研究中，我们系统研究了MMnS在亚临界温变形及随后退火过程中动态和静态Rex/逆转变的耦合效应。重点在于理解这些过程如何影响RA的形态、分布、晶粒尺寸和体积分数，这些都是控制MMnS机械性能的关键微观结构参数。最终目标是开发一种高效的热机械加工路线，以调控RA晶粒，从而改善MMnS的机械性能。

实验程序

所研究的MMnS的名义成分为0.11C-4.89Mn-1.96Al（除非另有说明，均为重量百分比）。使用Thermo-Calc软件和TCFE9数据库计算了平衡相图，结果如图1所示，α + γ两相区域位于637°C至928°C之间。

所研究的钢材在真空感应炉中熔化并铸造成锭，然后热锻成厚度为60毫米的板坯。随后制备了直径为

温变形前的初始微观结构

温变形前的初始微观结构，即在650°C下等温保持30秒后形成的结构，如图3所示。该结构以铁素体（回火马氏体）条带作为基体，含有大量渗碳体颗粒。在二次电子图像中，渗碳体（RA）和铁素体基体相比显得更亮[38]，它们主要位于晶界处，如图3a所示。特别是，RA晶粒具有层状形态，XRD分析结果如图3b所示

变形储存能量与逆转变化学驱动力的比较

从变形铁素体逆转变的总驱动力?Gαγ可以表示为化学驱动力?GC和来自变形储存能量的额外驱动力?GD之和，公式如下：$?G\alpha \gamma \; =\; ?GC\; +\; ?GD$

铁素体中的变形储存能量可以通过以下公式近似计算：$?GD\; =\; C·\rho Gb2\; +\; 3\gamma s/D$其中，C2是一个常数，其典型值为0.5；b是布格矢量；γs是

结论

在固定总热机械加工时间下，研究了MMnS在亚临界压缩及随后退火过程中的动态和静态奥氏体逆转变及铁素体Rex现象。得出以下结论：

• 1)
  亚临界变形增强了奥氏体逆转变。与未经变形的等温退火相比，温变形促进了动态和静态奥氏体逆转变。快速变形增加了静态逆转变的晶核密度和驱动力，

作者贡献声明

郭琴仪：撰写——初稿撰写、验证、研究、数据分析。葛茹：研究。王玉萌：研究。胡斌：指导、研究。罗海文：撰写——审稿与编辑、指导、资源获取、数据分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

罗海文感谢以下机构的财政支持：云南省重点研发计划-材料基因组学项目（编号202403AA080013）、国家自然科学基金（编号52233018和51831002）以及中国宝武低碳冶金创新基金会（编号BWLCF202213）。