《Journal of Materials Research and Technology》：Achieving high strength-ductility balance in ferritic stainless steel via thermomechanical processing of a bimodal microstructure
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本研究针对AISI 430铁素体不锈钢强度不足的应用瓶颈，通过非对称轧制与退火处理相结合的主题研究，系统探讨了退火温度对具有初始双峰晶粒结构的材料微观组织、织构及力学性能的影响。结果表明，600°C退火条件可获得强度（UTS 844 MPa）与塑性（TE 14%）的最佳匹配，为解决铁素体不锈钢在结构件应用中的强塑性权衡难题提供了新工艺路径，对拓展其在高性能汽车结构件等领域的应用具有重要意义。
铁素体不锈钢（FSS），特别是AISI 430钢，因其良好的耐腐蚀性和较低的热膨胀系数，被视为奥氏体不锈钢的一种经济有效的替代材料。然而，其固有的机械强度较低，尤其是在常规退火处理后，这一局限性严重限制了其在结构要求较高的领域（如汽车车身结构）的应用。为了突破这一瓶颈，研究人员长期以来致力于通过优化的热机械处理（Thermomechanical Processing）来改善其力学性能。传统的处理方法多针对单峰均匀的微观组织，而对于一种特殊的“双峰”晶粒结构（即材料中同时存在粗大和细小的晶粒）在铁素体不锈钢中的应用，尤其是在非对称轧制（Asymmetric Rolling）这种能引入更强剪切应力的加工路径下的演化行为及其对性能的影响，尚缺乏系统深入的研究。这种认知上的空白，使得开发兼具高强度和高塑性的先进铁素体不锈钢面临挑战。
为此，一篇发表在《Journal of Materials Research and Technology》上的研究论文，为我们揭示了其中的奥秘。该研究团队进行了一项新颖的探索，他们巧妙地设计了一套工艺：首先对商业AISI 430钢板进行1050°C × 2小时的水淬处理，人为地制备出具有双峰晶粒结构的初始材料。随后，对该材料进行高达60%压下率的非对称冷轧，引入强烈的塑性变形和独特的剪切应变。最后，对轧后样品分别在600°C、700°C和800°C下进行30分钟的退火处理，系统地研究退火温度对这一复杂初始结构演化过程的调控作用，并最终建立起微观结构、晶体学织构与力学性能之间的清晰关联。
研究人员主要运用了电子背散射衍射（EBSD）进行微观结构和织构的精细表征，通过硬度测试（布氏和维氏）评估整体和局部的力学性能变化，并利用室温拉伸试验结合断口扫描电镜（SEM）观察，全面评价了材料的强度、塑性和断裂行为。
3.1. 微观结构和织构演化
研究结果显示，退火温度对微观结构的恢复程度起到了决定性作用。在600°C退火时，材料仅发生部分回复和极其有限的再结晶，轧制变形结构（如马氏体岛、弯曲的铁素体晶粒和锯齿状带）大部分得以保留。特别是在板材中部（Mid-thickness），马氏体岛的存在一方面因其高硬度导致周围产生高应变梯度，成为再结晶形核的有利位置；另一方面，其本身以及可能伴随的碳纳米析出物又对晶核长大产生钉扎作用，延缓了再结晶进程。而在近表面区域（Near-surface），由于初始高温退火时的脱碳效应，碳含量极低，导致马氏体岛缺失，变形主要以晶内形变带（Deformation Bands）的形式存在。
当退火温度升至700°C，再结晶程度有所增加，马氏体岛开始分解变小。一个有趣的现象是，此时近表面区域的再结晶分数（3.85%）反而高于中部区域（2.34%）。这证实了马氏体岛在退火初期对再结晶的延迟效应。到了800°C，中部区域实现了完全再结晶，马氏体岛和变形带彻底消失，被新的、无应变的等轴晶所取代。然而，尽管经历了完全再结晶，由于初始中部（细晶+马氏体）和近表面（粗大铁素体晶粒）的显著差异，最终的组织在整个厚度方向上依然保留了双峰晶粒分布的特征，近表面区域的平均晶粒尺寸（76.4 μm）远大于中部区域（19.7 μm）。
织构分析表明，初始轧制态在中部区域呈现强烈的α-纤维织构（<110>//RD），而在近表面区域则显示出异常强烈的γ-纤维织构（{111}//ND）。随着退火温度升高，再结晶过程驱动织构演变。在800°C下，中部区域的织构从以α-纤维为主转变为γ-纤维增强；而近表面区域的织构则从极强的γ-纤维转变为α-纤维组分发展并出现Goss织构。这种差异化的演变路径根源在于两者截然不同的初始状态。此外，研究还发现，随着退火温度升高，Σ3和Σ13b等特殊晶界（CSL Boundaries）的比例增加，这有助于微观结构的稳定化。
3.2. 力学性能
力学性能测试结果清晰地展示了退火温度的调控作用。非对称轧制后，材料因加工硬化和马氏体相的存在，强度（UTS ~947 MPa）显著提高，但塑性（TE ~9.1%）急剧下降。经过600°C退火后，由于回复过程降低了位错密度，强度略有下降（UTS ~844 MPa），塑性有所恢复（TE ~13.9%），展现出较高的强度-塑性积。700°C退火后，马氏体岛的软化（回火）和进一步的再结晶导致强度明显降低（UTS ~704 MPa），塑性略有提升（TE ~14.6%）。800°C退火后，完全再结晶和马氏体的完全分解使得强度大幅下降至甚至低于初始材料水平（UTS ~448.5 MPa），但塑性恢复至与初始材料相当的高水平（TE ~33.1%）。值得注意的是，800°C样品在拉伸曲线上表现出明显的屈服点现象（Yield Point Phenomenon, YPP），这与再结晶后位错密度低、溶质原子对可动位错的钉扎效应有关。加工硬化分析表明，退火温度越高，材料的加工硬化能力越强。断口分析显示，所有退火样品均以韧窝状貌为主，表现为韧性断裂。600°C样品断口存在分层裂纹，反映其塑性相对较差；而800°C样品断口韧窝更深、更均匀，对应其优良的塑性。
4. 结论与意义
本研究系统地阐明了退火温度对具有初始双峰组织的非对称轧制AISI 430铁素体不锈钢微观结构演变和力学性能的影响规律。核心结论是：600°C退火条件能够获得强度与塑性的最佳平衡，其抗拉强度达到844 MPa，总伸长率为13.9%，综合力学性能最优。这一发现具有重要的科学意义和工程价值。它证实了通过巧妙地结合“初始双峰组织”、“非对称轧制”和“可控低温退火”这三种因素，可以有效调控铁素体不锈钢的微观组织，从而突破其传统的强度-塑性权衡关系，为实现高性能铁素体不锈钢的制备提供了一条创新且相对简单的工艺路线。这对于拓展铁素体不锈钢在轻量化汽车结构件等领域的应用，以及替代部分环境友好性较差的镀锌钢，具有积极的推动作用。
