组合优化方法在双相中锰钢微观结构调控中的应用：基于热梯度耦合原位高能X射线衍射的创新研究

为解决中锰钢在临界退火过程中相变动力学和奥氏体稳定性难以精准调控的问题，Olha Nakonechna团队开发了热梯度耦合原位高能X射线衍射（HEXRD）的组合优化方法。该研究通过单一样品实现680-720°C宽温区实时监测，发现700-710°C窄窗口内残余奥氏体分数超30%，较传统方法提升5%。这项发表于《Scripta Materialia》的工作为第三代先进高强钢（AHSS）的工艺设计提供了高通量研究范式。

　　

在汽车轻量化与安全性能双重需求驱动下，第三代先进高强钢（Advanced High-Strength Steels, AHSS）的研发成为材料科学前沿。其中，中锰钢（Medium-Mn steels）凭借奥氏体逆转变（Austenite Reverse Transformation, ART）工艺形成的三相纳米结构，兼具高强度与优异成形性，其核心在于通过临界退火调控残余奥氏体（Retained Austenite, RA）含量与稳定性。然而，传统等温实验需多次重复，且碳钢狭窄的两相区（α+γ）导致性能对温度极度敏感——相差10°C就可能导致残余奥氏体分数骤变5%。更棘手的是，锰元素扩散迟滞、碳化物溶解不完全等动力学因素，使得热力学模型预测常与实际偏差超过30°C。如何快速精准锁定最优工艺窗口，成为制约材料性能突破的瓶颈。

法国洛林大学Sébastien Allain团队创新性地将组合材料学理念引入工艺优化领域。研究人员设计出可精确控制42°C温差的定制加热炉，配合欧洲同步辐射中心（ESRF）ID31光束线的高能X射线衍射（High-Energy X-ray Diffraction, HEXRD）装置，实现单次实验扫描680-720°C连续温区。该装置以0.1mm空间分辨率（对应0.4°C温控精度）和10Hz采集频率，首次捕捉到奥氏体形成动力学的三维时空演化图谱。

关键技术包括：1）定制梯度加热系统，通过不对称卤素灯布局与氦气对流强化建立线性温场；2）同步辐射原位监测，采用99.265keV（λ=0.124899?）单色光斑扫描30mm样品；3）Rietveld全谱拟合定量相分析，结合电子背散射衍射（Electron Backscatter Diffraction, EBSD）进行微区形貌解析。实验选用Fe-0.2C-4Mn-1.5Si-0.8Al（wt.%）模型合金，先经900°C奥氏体化淬火获得全马氏体初始组织。

相变动力学的高通量解析

通过连续振荡扫描获得的三维相变图谱显示，奥氏体分数随温度呈S型增长。700°C时转化速率突增，但680°C下900秒保温后反应仍未完全，证实低温区动力学限制。与传统等温实验对比，梯度法测得705°C为最优温度，较De Moor模型预测偏移30°C，且残余奥氏体峰值分数达33±1%，创该体系报道最高值。

温度窗口的精准锁定

冷却后相分布函数呈现陡峭单峰特征，700-710°C区间外奥氏体分数急剧下降。这种"窄窗口"效应源于竞争机制：低温区（<690°C）渗碳体（θ）钉扎碳锰原子；高温区（>715°C）奥氏体富集不足导致冷却时马氏体转变。EBSD证实仅700-710°C区间能同时稳定板条间薄膜状和晶界岛状两种奥氏体形态。

工艺模型的修正启示

热力学平衡计算（虚线）与实验值的系统性偏离表明，现有模型低估了实际工艺中短程有序偏聚的稳定作用。梯度实验揭示的5°C敏感区间，为考虑界面能效应的新模型建立提供了基准数据。

这项研究开创了"梯度工艺-原位表征"组合优化新范式，将传统需数月完成的参数筛选压缩至单次实验。发现的33%残余奥氏体纪录值，使TRIP效应（Transformation Induced Plasticity）贡献度提升18%，为开发强塑积超30GPa·%的AHSS指明方向。更深远的是，该方法可拓展至压力梯度、成分梯度等多参数耦合优化，为多相材料设计提供普适性研究平台。正如审稿人所言："这项工作重新定义了工艺优化的时空尺度，将实验室探索推进到高通量时代。"

（注：全文数据已发布于recherchedata.gouv.fr，DOI:10.57745/T8AHDL）