《Journal of Materials Research and Technology》：Physical simulation of hot rolling and direct Quenching & Partitioning of medium-Mn steel: Effects of processing conditions on retained austenite stability and mechanical behavior
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汽车用高强高韧热轧钢的需求推动了通过集成节能热机械路线开发新型中锰钢。本研究采用Gleeble热机械模拟器对Fe-0.17C-5Mn-0.88Si-0.76Al-0.22Mo-0.063Nb中锰钢进行了由多道次热轧、直接空冷和淬火配分（Q&P）处理组成的集成工
汽车用高强高韧热轧钢的需求推动了通过集成节能热机械路线开发新型中锰钢。本研究采用Gleeble热机械模拟器对Fe-0.17C-5Mn-0.88Si-0.76Al-0.22Mo-0.063Nb中锰钢进行了由多道次热轧、直接空冷和淬火配分（Q&P）处理组成的集成工艺路线的物理模拟。热轧模拟获得的流变曲线表明，动态回复是主导的软化机制，而部分静态再结晶在最初三个道次间隔期间最为显著。研究采用SEM、EBSD、TEM、XRD方法及拉伸试验结合应变硬化分析，考察了淬火温度（240-260°C）、配分温度（400-450°C）和配分时间（300-1800 s）对微观组织演变、残留奥氏体（RA）稳定性和力学行为的影响。制备了含高达16.4 vol.% RA的细化板条马氏体微观组织。力学行为主要受RA稳定性而非其体积分数单独控制。在240°C淬火并于400°C配分300-900 s后获得最佳力学性能，这些工艺变体的强塑积分别为23 543 GPa%和23 344 GPa%。这些条件促进了渐进式应变诱导马氏体相变（SIMT），使抗拉强度（UTS）超过1180 MPa，总延伸率（TEl）约为19%。较高的配分温度或延长的配分时间降低了RA稳定性和延展性。
**研究背景与意义**
汽车工业对兼具超高强度和良好延展性的热轧先进高强钢需求日益增长，尤其是电动汽车保险杠加强件等厚规格安全结构件。淬火配分（Quenching and Partitioning, Q&P）钢通过引入亚稳态残留奥氏体（Retained Austenite, RA）实现强度与塑性的良好匹配，其工艺包括在Ms和Mf温度之间淬火获得部分马氏体组织，随后在配分阶段使碳从过饱和马氏体扩散至未转变奥氏体中，提高RA的碳含量和稳定性，从而在变形过程中实现有效的应变诱导马氏体相变（Strain-Induced Martensitic Transformation, SIMT），获得增强的应变硬化能力和延迟颈缩的效果。然而，传统Q&P钢的制造路线为冷轧板退火，存在镀锌、焊接和机加工困难等技术局限，且冷轧后需重新加热，显著增加生产成本和能耗。在碳中性制造转型背景下，将热机械加工与直接Q&P处理相结合的集成路线受到关注——利用热轧后的余热进行后续热处理，省去再加热阶段。中锰钢（Mn含量>3 wt.%）因Mn提高淬透性、降低Ms温度并促进RA稳定化， even在空冷条件下即可获得马氏体-奥氏体组织，是该集成路线的理想候选材料。然而，目前Q&P钢研究主要集中于传统冷轧板，热轧中锰钢集成热机械加工后直接Q&P处理的研究相对匮乏，该工艺路线对RA稳定性及力学性能的影响尚不充分表征。本研究的创新性在于通过综合物理模拟揭示Q&P工艺参数如何调控中锰钢RA特征及应变硬化行为，建立工艺-组织-性能关系。
**关键技术方法**
研究人员采用Gleeble 3800热机械模拟器对实验室冶炼的Fe-0.17C-5Mn-0.88Si-0.76Al-0.22Mo-0.063Nb钢进行七道次热轧模拟（1200°C至850°C）后直接淬火（240°C和260°C，冷却速率约1°C/s）及配分处理（400°C和450°C，300-1800 s）。采用SEM、EBSD、TEM（含SAED、STEM、HRTEM）和XRD（Rietveld精修）进行微观组织表征，利用亚尺寸拉伸试样（标距10 mm）结合数字图像相关（DIC）系统进行拉伸试验并计算瞬时应变硬化指数。
**研究结果**
**热轧过程物理模拟**：七步压缩试验的流变曲线表明，流变应力随变形温度降低而显著增加，曲线呈现初始快速上升后斜率递减的特征，无动态再结晶典型的应力峰值，表明动态回复是主导软化机制；部分静态再结晶在最初三道次间隔（30、10、10 s）期间最为显著。
**直接Q&P处理后的力学性能**：240°C淬火+400°C配分300 s的样品获得最高强塑积23 543 GPa%（UTS 1259 MPa，TEl 18.7%），900 s样品强塑积为23 344 GPa%（UTS 1185 MPa，TEl 19.7%）。配分时间延长至1800 s使TEl降至15.0%，UTS升至1268 MPa。配分温度从400°C升至450°C（300 s），尽管RA分数相近（约14 vol.%），TEl从约19%降至约13%。淬火温度从240°C升至260°C（450°C配分），RA分数从14.8降至8.7 vol.%，YS、UTS和TEl均降低。
**微观组织演变**：所有样品均为回火马氏体、RA和新马氏体（MF）组成的细化板条组织，RA主要分布于回火马氏体板条间，MF主要存在于块状奥氏体区域。TEM确认RA以10-40 nm厚的薄膜状分布于板条间。EBSD显示RA以薄膜型为主，少量块状RA。配分温度升至450°C或时间延长至900-1800 s时观察到少量渗碳体析出，RA碳含量从0.57 wt.%（300 s）降至0.48 wt.%（1800 s）。
**讨论与结论**
讨论部分指出，RA体积分数与延展性并非直接成正比，力学性能差异主要源于RA的机械稳定性差异，可通过瞬时应变硬化指数评估。1800 s配分样品RA碳含量最低（0.48 wt.%），稳定性最差，SIMT在变形早期集中发生，应变硬化指数在真应变约0.045后骤降；900 s样品RA碳含量居中（0.50 wt.%），SIMT渐进发生，延迟颈缩；300 s样品RA碳含量最高（0.57 wt.%），稳定性高，SIMT在 investigated 应变范围内未完全激活。450°C配分样品虽RA分数与400°C相近，但碳含量较低（0.49 wt.%），SIMT在 investigated 应变范围内被激活，应变硬化指数呈先降后升的二次上升特征。260°C淬火样品因MF的存在引起局部应力集中，促进RA在低应力下快速转变，限制了TRIP效应贡献。热变形产生的位错、动态回复和部分静态再结晶导致的部分硬化奥氏体有利于细化板条型RA的形成。结论部分译为：本研究对0.17C-5Mn-0.88Si-0.76Al-0.22Mo-0.063Nb中锰钢进行了热轧物理模拟及集成热机械路线后直接Q&P处理的微观组织演变和力学性能研究。主要发现如下：热变形行为表明动态回复是主导软化机制，道次间隔期间发生部分静态再结晶，形成高位错密度的部分硬化奥氏体，有利于后续Q&P处理中细化板条型RA的形成；制备了含约8.7-16.4 vol.% RA的细化板条马氏体组织，RA以10-40 nm厚薄膜和细小块状晶形式分布于回火马氏体板条间，促进变形过程中渐进式SIMT；力学性能主要受RA机械稳定性控制，240°C淬火后400°C配分300-900 s获得最佳性能，约14 vol.% RA含0.50-0.57 wt.% C，促进渐进式SIMT并获得最佳强塑平衡；配分温度超过400°C或配分时间超过900 s降低RA碳含量和机械稳定性，导致早期SIMT和较低延展性（TEl约13-15%）；拉伸变形导致RA几乎完全转变为马氏体，断裂以穿晶为主，裂纹优先在含应变诱导或新马氏体区域萌生；所提出的集成工艺路线省去了冷轧Q&P钢所需的再加热阶段，同时保持超高高强度和延展性的良好组合，是热轧中锰钢面向先进汽车和结构应用的有前景的节能制造策略。
