低温预退火调控铁素体局部力学响应的低碳DP钢两步两相区退火强塑性协同策略

《Journal of Materials Research and Technology》：A new two-step intercritical annealing strategy to balance strength and ductility in a low-carbon dual-phase steel

　　

追求强度-塑性平衡仍是新一代先进高强钢发展的基本目标。该研究设计了一种两步临界退火工艺（two-step intercritical annealing，DA），以获得双相（dual-phase，DP）钢强度与塑性的良好匹配，其中通过低温预退火阶段调控铁素体相。与传统退火工艺相比，尽管最终退火阶段相同，DA试样表现出比A800试样更高的铁素体体积分数（13.2% 对 7.8%）。这应归因于预退火阶段产生的异质化学成分分布，其抑制了最终退火过程中后续奥氏体长大并促进了铁素体保留。所得力学性能显示较好的强塑积（strength-ductility product）为18 GPa %，伸长率为12%，微孔聚合（micro-void coalescence）为主要断裂模式，韧窝区和剪切唇分数高于A800。纳米压痕（nanoindentation）显示DA铁素体压入阻力较低，其变形区发生局部硬化，变形后硬度分布更集中。电子背散射衍射（electron backscattered diffraction，EBSD）分析进一步显示变形区核平均取向差（kernel average misorientation，KAM）值更高，所选铁素体晶粒内存在异质取向梯度。总之，这些观察表明较软铁素体数量增加及其后续局部硬化有助于持续加工硬化。因此，延展性提高不仅与铁素体体积分数有关，还与其局部变形和硬化响应有关。该工作为优化高强DP钢强塑性平衡提供了有效策略。

论文解读：先进高强钢（AHSS）因高强度、轻量化潜力和碰撞安全性受到关注，双相（DP）钢因强度-塑性匹配较好、成本低和工艺简单而广泛应用。随着汽车轻量化对DP钢强度要求提高，成形性常随强度升高而恶化，而高强DP钢成形性关键依赖足够延性，因此实现强塑性平衡仍是先进DP钢开发的关键难题。商业DP钢由软铁素体和硬马氏体岛组成，两相力学差异导致拉伸时异质变形；铁素体承担大部分塑性应变，马氏体提供强度和应变约束，相界附近产生几何必需位错（GNDs）和异质变形诱导（HDI）应力，从而增强应变硬化并延迟应变局域化。传统两相区退火（IA）通过调控铁素体-马氏体组织改善变形协调性，但多步IA虽可细化组织，却增加成本并因多次淬火引入不可控残余应力。基于此，研究人员提出一种两步临界退火工艺（DA），通过低温预退火构建异质DP组织，目标是在高屈服强度约1000 MPa下使软铁素体作为第二相（低于30 vol.%），并阐明组成相力学响应对变形协调、加工硬化和断裂抗力的影响。该研究得出DA在约1524 MPa抗拉强度下获得12.0%伸长率和约18 GPa·%强塑积，较A800具有更优强塑性匹配；其意义在于提供通过预退火调控铁素体体积分数及局部力学响应来优化高强DP钢强塑性平衡的有效策略。

关键技术方法概括（不超过250字）：实验钢为低碳DP钢，35 mm厚板坯经1200 °C保温2 h、900-1000 °C五道次热轧并空冷至1.6 mm薄板，50 mm×50 mm试样取自热轧板；Ac₁和Ac₃按成分经验公式估算约722 °C和801 °C。采用KSL1200箱式炉进行热处理；用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和EBSD表征组织与晶体学；用维氏硬度、室温拉伸（应变速率6×10^-4 s^-1）和SEM断口分析评价力学性能与断裂模式；用纳米压痕测量软硬相局部力学响应，并用EBSD-KAM分析变形组织。

3.1 显微组织表征：通过OM和EBSD表征热轧及不同热处理试样，热轧试样以粒状贝氏体和块状马氏体-奥氏体岛为主并存在变形带；A1000为全板条马氏体且原奥氏体晶粒较大；DA和A800为铁素体-马氏体双相组织。统计表明DA铁素体体积分数为13.2%，高于A800的7.8%，二者铁素体等效直径范围相似且分布不均；DA和A800随机取向差边界分数高于A1000。

3.2 硬度与力学性能：通过室温拉伸、加工硬化率曲线和维氏硬度测试，DA屈服强度980.37 MPa、抗拉强度1524.47 MPa、伸长率12.0%，强塑积约18 GPa·%；A800抗拉强度最高但伸长率8.6%。DA初始加工硬化率略低但衰减更缓，均匀变形区更大；DA平均硬度412.9 HV，低于A800的464.7 HV。

3.3 断口分析：通过SEM断口形貌及投影面积分数统计，DA以微孔聚合为主，韧窝区和剪切唇分数高于A800，与其12.0%最高伸长率一致；A800为韧窝断裂并伴明显分层、局部准解理和表面开裂；热轧试样以脆性混合断裂为主且伸长率仅4.6%；A1000颈缩有限、伸长率8.2%。

3.4 纳米硬度测量：通过纳米压痕载荷-位移曲线和硬度分布图，DA中铁素体压入深度较大、纳米硬度较低；变形后DA铁素体压痕深度减小、发生局部硬化，中间硬度区由50%增至72%，A800由54%增至69%；DA高硬度区变形前后曲线几乎重叠，A800高硬度区变形后压痕深度略增。

讨论部分总结：4.1 裂纹扩展路径分析通过断口截面SEM和EBSD观察二次裂纹，DA可见二次裂纹较短且弯曲，A800和A1000裂纹较长直；裂纹遇高取向差边界发生偏转，主要沿马氏体板条或块边界扩展，偶有穿晶扩展；DA主裂纹被铁素体晶粒阻滞、分支偏转，裂纹尖端在铁素体附近钝化，说明铁素体有利于阻碍裂纹扩展。4.2 两步临界退火效应机制认为，750 °C预退火产生异质碳分布，低碳区不利于奥氏体形成和长大，从而促进第二次800 °C退火后铁素体保留，并消除热轧带状组织；变形时软铁素体优先塑性变形，马氏体约束导致相界和铁素体内应变梯度、GNDs积累及长程背应力，维持加工硬化并延迟颈缩；DA铁素体变形后硬化而A800铁素体未显著硬化，裂纹偏转和尖端钝化增加扩展耗能；该研究未用加卸载再加载（LUR）直接证实HDI应力，但纳米力学响应趋势与HDI应力效应类似。

研究结论部分翻译：(1) 750 °C预退火阶段改变了后续两相区退火所得组织。与A800相比，DA具有更高的铁素体分数（13.2% 对 7.8%）和更低的铁素体局部压入阻力。预退火过程中的碳再分布被认为是铁素体保留的可能原因，从而将热历史与组成相分布及局部力学响应联系起来。(2) 较软铁素体在马氏体约束下容纳塑性变形。变形区所选铁素体晶粒中观察到更高KAM值和异质晶内取向梯度，纳米压痕显示DA铁素体发生局部硬化。这些观察支持异质变形，并表明更多较软铁素体及其后续硬化有助于DA的持续加工硬化响应。(3) DA的韧窝区和剪切唇分数高于A800，且在所观察截面上可见二次裂纹较短。铁素体附近裂纹偏转和扩展路径的局部变化揭示了周围显微组织对损伤发展的影响。这些观察补充解释了DA改善的强塑性平衡：其抗拉强度约1524 MPa、伸长率12.0%，对应强塑积约18.3 GPa·%。