珠光体钢中热处理与塑性变形的跨尺度关联：基于介观模型的强度与微结构演化机制

本综述深入探讨了珠光体钢（Pearlitic Steels）在热处理过程中形成的微观结构特征（如相分数、层间距（Interlamellar Spacing）、渗碳体厚度（Cementite Thickness）和位错密度）与其室温塑性变形行为之间的内在联系。研究通过建立介观尺度模型（Mesoscale Modeling），系统分析了先共析铁素体（Proeutectoid Ferrite）、珠光体块尺寸（Pearlite Block Size）、层间距及渗碳体形态对力学响应的影响，揭示了冷却速率（Cooling Rate）是控制材料强度（强度超过1 GPa）的关键因素，而奥氏体晶粒尺寸（PAGS）影响微弱。该模型为轨道交通关键部件（如车轮和钢轨）的耐磨设计与寿命预测提供了理论依据。

　　

1 引言

珠光体钢因其优异的耐磨性和强度，被广泛用于铁路车轮和钢轨的制造。其微观结构主要由渗碳体（Fe₃C）片层和铁素体（α-Fe）基体交替排列构成，形成珠光体团（Pearlite Colonies）和珠光体块（Pearlite Blocks）。在服役过程中，材料表面经历显著塑性变形，导致微观结构演变和局部力学性能变化，进而影响磨损和裂纹萌生行为。热处理工艺（如奥氏体化温度（Austenitization Temperature）和冷却速率）通过调控相分数、层间距、渗碳体厚度和位错密度等特征参数，最终决定材料的力学响应。尽管已有研究探讨了先共析铁素体（P_α）、珠光体块尺寸、层间距和渗碳体厚度对性能的影响，但关于这些因素在塑性变形过程中动态演化及其对强化机制的贡献仍缺乏系统认知。本研究旨在通过实验表征与介观建模相结合，揭示珠光体钢的微观结构-性能关联，并建立可预测塑性行为的本构模型。

2 实验部分

研究采用一种亚共析珠光体车轮钢（成分：0.564%C, 0.749%Mn, 0.307%Si等），从车轮踏面下2 cm处取样。通过不同热处理路径获得多样化微观结构：奥氏体化温度设为900°C和1100°C，保温15分钟，随后以两种冷却速率（0.03°C/s炉冷和0.3°C/s空冷）进行冷却。利用光学显微镜（LOM）、扫描电镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和透射电镜（TEM）表征了原始及变形后的微观结构，包括Prior Austenite Grain Size（PAGS）、珠光体块尺寸、层间距（λ）、渗碳体厚度（t_θ）和位错密度。力学性能通过室温压缩试验（应变速率0.01 s^?1和1 s^?1，真应变至0.7）和显微硬度（HV）测试评估。采用DEFORM 2D软件模拟压缩过程，以关联局部应变与微观结构演化。

3 建模与仿真

研究开发了一个基于位错演化的介观尺度模型，用于描述珠光体钢在室温下的塑性变形行为。模型假设等应变条件，总应力（σ_total）由铁素体应力（σ_α）和渗碳体应力（σ_θ）按体积分数加权求和得到。铁素体的强化贡献包括：① 非热应力（σ_ath），源于位错-位错交互（Taylor公式）；② 热应力（σ_th），用于克服短程障碍；③ 层间距相关的Hall-Petch强化（σ_λ）。渗碳体的强化则通过其厚度（t_θ）的Hall-Petch效应表征。模型引入了移动位错（ρ_m）和不可动位错（ρ_im）密度的演化方程，涵盖位错增殖、界面湮灭和动态回复（DRV）过程。关键模型参数通过MATLAB优化框架确定，以拟合实验应力-应变曲线和微观结构数据。

4 结果

4.1 热处理后的微观结构

奥氏体化温度显著影响PAGS和珠光体块尺寸：1100°C处理获得PAGS为110.9±6.37 μm，珠光体块尺寸18.5 μm；而900°C处理则得到更细的PAGS（14.6±3.16 μm）和珠光体块（6.1 μm）。冷却速率主导层间距和渗碳体厚度：快冷（0.3°C/s）使层间距降至159–164 nm，渗碳体厚度约48–50 nm，同时减少先共析铁素体分数（<2%–3.65%）；慢冷（0.03°C/s）则导致层间距增大（316–329 nm），渗碳体增厚（80–82 nm），先共析铁素体分数升高（7.3%–8.04%）。TEM显示未变形样品中位错密度约为2×10¹³ m^?2。

4.2 力学性能

压缩试验表明，材料表现出低应变速率敏感性，不同速率下的流变应力曲线重合。冷却速率是强度主导因素：快冷样品强度超1 GPa，慢冷样品强度较低。奥氏体晶粒尺寸（PAGS）对强度影响微弱。显微硬度映射证实，变形后样品中心（高应变区）硬度更高，且快冷样品整体硬度（HV 382）显著高于慢冷样品（HV 304）。

4.3 变形后微观结构

随应变增加，层间距和渗碳体厚度均减小，实验测量与模型预测（λ=λ₀exp(?ε/2), t_θ=t_θ0exp(?ε/2)）高度一致。SEM观察显示，渗碳体片层发生塑性变形（弯曲、扭折），但无碎裂；取向平行于压缩方向的片层呈现平滑弯曲，而倾斜片层则出现局部扭折。TEM揭示变形后位错密度升至6×10¹⁴ m^?2，铁素体内存在大量位错缠结。

4.4 建模结果

模型成功预测了不同热处理条件下样品的应力-应变响应（图14）。应力分解表明：非热应力（σ_ath）贡献随应变增加而饱和；热应力（σ_th）受位错滑移速度控制；层间距（σ_λ）和渗碳体厚度（σ_θ）相关应力随应变持续上升。位错密度演化模拟显示，不可动位错密度因界面湮灭而快速增长后趋于饱和，移动位错密度则受滑移距离和速度调控（图16–17）。

5 讨论

热处理通过调控相变动力学影响微观结构：高奥氏体化温度减少晶界数量，抑制先共析铁素体形核，导致大尺寸珠光体块；冷却速率则通过改变碳扩散条件，直接决定层间距和渗碳体厚度。变形过程中，位错与微观结构交互主导强化：细层间距提供更多界面屏障，促进位错存储和加工硬化；渗碳体塑性变薄及其可能的部分分解（碳原子通过位错管扩散侵入铁素体）进一步贡献强化。模型忽略了负载分配效应，因铁素体与渗碳体剪切模量相近（74–88 GPa），位错可跨界面运动。先共析铁素体作为软相，降低整体强度，但可能改善韧性。

6 结论

本研究系统阐明了珠光体钢的微观结构特征（层间距、渗碳体厚度、先共析铁素体分数）与其室温塑性行为间的定量关系。冷却速率是强度控制主导因素，而奥氏体晶粒尺寸（PAGS）影响微弱。变形过程中，渗碳体发生塑性变形（无碎裂），层间距和渗碳体厚度随应变减小，共同贡献强化。所开发的介观模型整合了位错演化、界面效应和微观结构演变，能够准确预测流变应力，为珠光体钢在轨道交通领域的性能优化与寿命预测提供了理论工具和设计依据。