低碳双相钢中马氏体形貌对初始显微组织的强依赖性及其力学性能调控

本文研究了不同初始显微组织（完全退火、正火、马氏体和球化处理）对Fe-0.07C钢经830°C亚温退火（IA）和水淬后形成的铁素体-马氏体双相（DP）钢的显微组织演变和力学性能的影响。研究发现，初始完全退火样品因具有最高的平均铁素体晶粒尺寸（Df = 8.66 μm）和带状组织，经IA处理后表现出最优的综合力学性能（屈服强度413.4 MPa，抗拉强度661.5 MPa，总延伸率39.5%），其优异的强塑性平衡归因于带状结构引发的应变硬化率恢复（RSHR）机制。该研究为通过简单热处理工艺设计高性能低碳DP钢提供了重要理论依据和实践指导。

　　

在汽车轻量化和节能减排的大背景下，先进高强度钢（AHSS）的研发已成为材料领域的热点。其中，双相（DP）钢因其高强度、良好延展性、低屈强比和优异的加工硬化能力，在汽车结构件和安全件中展现出巨大的应用潜力。DP钢的典型显微组织由软相铁素体和硬相马氏体组成，其最终性能主要受马氏体体积分数（V_m）、马氏体形貌、尺寸分布以及铁素体晶粒尺寸（D_f）等因素控制。然而，传统的DP钢通常含有较高的碳含量（>0.1 wt%）和锰含量（>1 wt%），其强韧化机制已得到广泛研究。对于超低碳（<0.1 wt% C）、低锰（<1 wt% Mn）的DP钢，如何通过简单的热处理路径（而非复杂的形变热处理）调控其显微组织以获得优异的强塑性匹配，仍是一个亟待深入探索的课题。此外，初始显微组织（如完全退火、正火、马氏体、球化处理）如何影响后续亚温退火（Intercritical Annealing, IA）过程中的相变行为、马氏体形貌演变及其与力学性能的构效关系，尚缺乏系统的认知。为了解决上述问题，来自伊朗巴博勒诺希尔瓦尼技术大学的Alireza Shaabani、Roohollah Jamaati和Seyed Jamal Hosseinipour在《Materials 》上发表了他们的最新研究成果，系统揭示了初始组织对超低碳DP钢组织性能的强烈影响。

本研究主要采用了以下关键技术方法：首先，以Fe-0.07C-0.78Mn-0.15Si低碳钢为原料，通过不同的热处理工艺（完全退火、正火、水淬、球化退火）制备了四种不同的初始显微组织。随后，所有样品均在830°C下进行15分钟的亚温退火（IA），然后水淬，最终获得铁素体-马氏体双相组织。利用光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）对IA前后的显微组织进行观察和分析，并通过ImageJ软件定量分析了相比例。力学性能评估则通过维氏硬度测试和室温拉伸试验完成，并利用SEM对拉伸断口进行了形貌分析。

3.1. 显微组织 (Microstructure)

3.1.1. 亚温退火前显微组织 (Pre-intercritical microstructures)

研究人员首先成功制备了四种截然不同的初始组织。初始态为铁素体-珠光体组织，平均铁素体晶粒尺寸（D_f）为6.8 μm。完全退火组织由于炉冷过程中Mn和C原子的偏聚，形成了明显的铁素体-珠光体带状组织，D_f增大至8.7 μm。正火组织因空冷速度较快，碳化物分布更均匀，D_f为7.9 μm。球化处理组织中，珠光体消失，渗碳体以薄膜状分布于铁素体晶界。马氏体组织则呈现出典型的板条束形态。

3.1.2. 亚温退火后显微组织 (Post-intercritical microstructures)

经IA和水淬后，所有样品均转变为铁素体-马氏体双相组织，但马氏体形貌和分布差异显著。初始样品和正火样品中的马氏体主要沿铁素体晶界分布，形成链状形貌（chain-like morphology），V_m分别为0.36和0.35。完全退火样品则继承了其初始的带状结构，马氏体也呈带状分布（banded structure），V_m最高，为0.37。球化处理样品中，马氏体仅在其晶界处以连续薄膜状析出，V_m最低，仅为0.14。马氏体初始样品经IA后，马氏体变为细小的板条状（lath morphology），均匀分布在铁素体基体上，V_m为0.27。

3.1.3. 表层脱碳 (Decarburization of subsurface layers)

所有样品在热处理过程中均发生了不同程度的表层脱碳，形成了一个无马氏体的脱碳层，其中初始样品因热处理温度最低、时间最短，其脱碳层最薄（≈130 μm）。

3.1.4. 马氏体分布 (Martensite distribution)

通过观察不同截面（RD-TD, RD-ND, TD-ND）的显微组织发现，完全退火样品IA后在RD-ND和TD-ND截面呈现出清晰的硬（马氏体带）软（铁素体带）相间的带状结构，这种独特的结构被认为是其性能优异的关键。

3.2. 力学性能 (Mechanical properties)

3.2.1. 硬度评估 (Hardness evaluation)

硬度测试结果表明，V_m是影响硬度的最主要因素。初始、完全退火和正火样品IA后的硬度值相近（~226 HV），球化处理样品因V_m极低，硬度也最低（143 HV），马氏体初始样品IA后硬度居中（197 HV）。

3.2.2. 拉伸性能 (Tensile properties)

拉伸测试结果显示，所有DP钢均消除了屈服点现象，表现出连续的屈服行为。其中，完全退火DP样品表现出最高的强度（屈服强度YS=413.4 MPa，抗拉强度UTS=661.5 MPa）和良好的延伸率（总延伸率TE=39.5%），其强塑积（Energy Absorption, EA）也最高。正火和初始样品IA后强度次之。球化处理样品强度最低，但其延伸率并未因V_m低而显著提高，原因是晶界马氏体/渗碳体薄膜促进了微孔的形成和早期损伤。马氏体初始样品IA后强度虽不如前三者，但其V_m仅为0.27，却能获得与之相近的强度，归功于其细小板条马氏体带来的大量相界面和有效的载荷传递。

3.2.3. 加工硬化行为 (Work-hardening behavior)

加工硬化曲线分析表明，所有DP钢的加工硬化率均呈三阶段下降趋势。完全退火DP样品在真应变0.10–0.13区间出现了加工硬化率恢复（Recovery of Strain Hardening Rate, RSHR）现象，这是其兼具高强度和良好塑性的关键机制。RSHR源于其带状结构在变形时产生的应变梯度以及由此产生的大量几何必需位错（GNDs）。

3.3. 断口分析 (Fractography)

所有DP钢的拉伸断口均表现为完全的韧性断裂，充满了韧窝。韧窝底部可见未变形的马氏体岛，表明微孔主要在马氏体/铁素体相界面（Ferrite/Martensite decohesion）形核。未观察到马氏体开裂现象。

本研究得出结论，初始显微组织通过决定IA后马氏体的形貌、分布和分数，深刻影响着超低碳DP钢的最终力学性能。完全退火获得的初始带状组织，经IA后能形成独特的硬（马氏体带）软（铁素体带）相间的微观结构，这种结构能通过诱发应变梯度、促进几何必需位错（GNDs）增殖和引发加工硬化率恢复（RSHR）机制，有效地协同提高材料的强度和塑性，突破了传统钢铁材料强度-塑性的“倒置”关系。相比之下，链状马氏体、晶界薄膜状马氏体或细小板条马氏体均无法达到如此优异的性能匹配。该研究不仅阐明了初始组织在DP钢相变过程中的遗传效应及其对力学性能的调控机理，更重要的是为开发低成本、高性能的低碳乃至超低碳DP钢提供了一条简单而高效的热处理工艺路径，具有重要的理论意义和工业应用价值。