通过硅调控贝氏体相变增强1300 MPa带钢铸轧钢的强塑协同性

《Journal of Materials Research and Technology》：Enhancement of strength-ductility synergy in 1300 MPa strip casting steels via silicon regulated bainite transformation

　　

本研究开发了一种兼具高塑性的新型1300 MPa级超高强度带钢铸轧钢。研究人员详细研究和讨论了硅（Si）含量对钢的显微组织、力学性能和变形机制的影响。结果表明，硅能有效延缓贝氏体相变动力学，从而抑制贝氏体板条的粗化，并有助于提高残余奥氏体（RA）的体积分数。同时，随着硅含量的增加，渗碳体（cementite）的析出被显著抑制，这使得在贝氏体相变过程中有更多的碳配分（partitioned）到未转变的奥氏体中，从而进一步提高了残余奥氏体的体积分数和稳定性。力学性能测试表明，将硅含量从0.5 wt%增加到1.5 wt%，可显著将屈服强度和抗拉强度从919 MPa和1104 MPa分别提高到1055 MPa和1331 MPa，同时延伸率从12.2%提高到17.8%。这归因于细化的贝氏体组织，它显著增强了强度，并提供了更大的位错增殖和存储能力，从而有助于提高加工硬化能力和塑性。同时，高硅钢中较高的残余奥氏体体积分数和增强的稳定性，也通过随应变增加而依次激活的层错（stacking faults）、纳米孪晶（nanotwinning）和ε-马氏体（ε-martensite）相变，有利于维持高的加工硬化能力。这些发现为高性能带钢铸轧钢的设计提供了有价值的见解。

**论文解读：通过硅调控贝氏体相变增强1300 MPa带钢铸轧钢的强塑协同性**

**一、 研究背景与意义**

带钢铸轧（strip casting）作为一种近终形制造技术，通过一对反向旋转的铸轧辊将钢水直接凝固成厚度约1.4-2.1 mm的带钢，从而革新了传统的钢铁生产工艺。与传统的热轧工艺相比，显著简化的带钢铸轧流程大大降低了能耗和二氧化碳排放。然而，带钢铸轧以单道次热轧替代了多道次热连轧，导致热轧后原始奥氏体晶粒粗大（约200 μm）。此外，由于单道次热轧后的带钢通常在低温下卷取，带钢铸轧高强度钢的显微组织主要由粗大的贝氏体和马氏体组成，这通常导致高强度但低塑性的问题。为了在带钢铸轧高强度钢中获得更好的强塑协同性，大量研究致力于显微组织优化。例如，有研究通过添加微合金元素如铌（Nb）来调控过冷奥氏体的相变行为，或通过提高卷取温度诱导铁素体相变和相间纳米析出，但这些策略在追求1 GPa以上更高强度时面临挑战，或仅带来边际性能改善。离线时效处理则会增加成本并削弱带钢铸轧工艺固有的简单高效优势。因此，开发一种在不损害带钢铸轧固有优势的前提下，能大幅提升超高强度带钢铸轧钢强塑协同性的新型经济高效且工业可行的合金设计策略具有重要意义。

残余奥氏体（RA）作为钢中的热力学亚稳相，通过相变诱导塑性（TRIP）效应在塑性变形过程中对加工硬化有显著贡献，从而能在超高强度钢中实现优异的强塑协同。在贝氏体钢中，残余奥氏体的保留主要受贝氏体相变过程中碳从过饱和贝氏体铁素体向未转变奥氏体配分（partitioning）的控制。硅（Si）含量对残余奥氏体的体积分数和稳定性起着关键作用。硅的添加能有效抑制渗碳体析出，使更多的碳配分到未转变奥氏体中，从而提高室温下残余奥氏体的体积分数和机械稳定性，最终增强强塑协同。目前，关于硅对贝氏体相变、组织演化和力学性能的影响，尤其是在高硅无碳化物贝氏体钢中，已有广泛研究。相比之下，关于使用中等硅含量（0.5-1.5 wt%）来调控带钢铸轧高强度钢的贝氏体相变、渗碳体析出、残余奥氏体体积分数与碳含量以及强塑协同性的系统性研究仍然有限。

本研究论文发表于《Journal of Materials Research and Technology》，旨在系统研究硅含量（0.5 wt%、1.0 wt%和1.5 wt%）对带钢铸轧超高强钢的显微组织、贝氏体相变行为、力学性能和变形机制的影响。

**二、 主要研究方法**

研究人员基于简单的Fe-C-Si-Mn合金体系，开发了三种不同硅含量（0.5 wt%、1.0 wt%和1.5 wt%）的高强度钢，分别命名为05Si、10Si和15Si。通过电弧熔炼制备铸锭，并采用模拟带钢铸轧热加工参数的工艺：在1200°C奥氏体化10分钟后，快速淬火至365°C盐浴并保温30分钟以模拟卷取，随后空冷至室温。利用膨胀仪（DIL805）进行膨胀实验以阐明贝氏体相变动力学。采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）对显微组织进行表征。通过室温单轴拉伸试验评估力学性能，并使用修正的Williamson-Hall（MWH）方法从XRD图谱定量估算位错密度。对卷取态样品以及变形至不同真应变水平（3%和6%）的样品进行EBSD分析，并对10Si和15Si钢变形至不同应变水平（3%、6%和15%）的样品进行TEM分析，以阐明变形机制。

**三、 研究结果**

**3.1 力学性能**
随着硅含量从0.5 wt%增加到1.5 wt%，屈服强度和抗拉强度持续提升，总延伸率先显著提高后略有下降，但整体强塑协同性得到显著改善。05Si钢的屈服强度、抗拉强度和总延伸率分别为919 MPa、1104 MPa和12.2%。10Si钢分别提升至1008 MPa、1243 MPa和18.4%。15Si钢进一步升至1055 MPa、1331 MPa和17.8%。加工硬化率曲线表明，10Si和15Si钢在应变超过3%后表现出比05Si钢显著更高的加工硬化能力。

**3.2 显微组织表征**
XRD分析表明，随着硅含量增加，渗碳体衍射峰减弱，而面心立方奥氏体衍射峰出现并增强。10Si和15Si钢中残余奥氏体体积分数分别为4.3%和10.8%，碳含量分别为1.13 wt%和1.60 wt%。位错密度随硅含量增加而上升。SEM和TEM观察显示，05Si钢主要由板条贝氏体（LB）和分散的渗碳体组成。随着硅含量增加，贝氏体板条厚度从05Si钢的326.3 nm细化至10Si钢的241.9 nm，进一步细化至15Si钢的192.9 nm。渗碳体析出被显著抑制，其形貌从短棒状变为细小的颗粒状，体积分数从05Si钢的4.2%降至15Si钢的0.5%。在10Si和15Si钢中，沿贝氏体板条边界观察到薄膜状残余奥氏体，并在贝氏体束间观察到马氏体/奥氏体（M/A）岛。EBSD分析表明，随着硅含量增加，等效晶粒尺寸减小，高角度晶界（HAGBs）的比例和密度增加。

**3.3 贝氏体相变行为**
膨胀分析表明，增加硅含量显著抑制了贝氏体相变动力学。05Si钢的相变速率峰值最高且达到时间最早，而15Si钢的峰值最低且达到时间最晚。相变完成时间也随硅含量增加而延长。硅通过固溶强化母相奥氏体延缓了过冷奥氏体的相变，并为贝氏体形核提供了更多时间，有助于细化贝氏体板条。同时，硅抑制渗碳体析出，使更多碳可用于向未转变奥氏体配分，这既增强了奥氏体稳定性、降低了贝氏体相变速率，也促进了残余奥氏体的形成并提高了其碳含量。

**3.4 变形机制分析**
通过EBSD获得的KAM（核平均取向差）图分析表明，在变形早期（0%-3%应变），三种钢的KAM值增量相近，表明其位错增殖和存储能力相当。在变形中期（3%-6%应变），10Si和15Si钢的KAM值继续增加，而05Si钢的KAM值基本不变。10Si和15Si钢中更细的贝氏体组织和更多的高角度晶界为位错存储提供了更多空间，并能激活更多滑移系，促进了位错相互作用和增殖，从而增强了加工硬化能力和塑性。TEM对变形微观结构的分析揭示了残余奥氏体的贡献：在3%应变时，10Si和15Si钢的残余奥氏体中均观察到层错形成；在6%应变时，10Si钢中部分残余奥氏体转变为ε-马氏体，而15Si钢中则观察到纳米孪晶和高密度层错；在15%应变时，15Si钢中除了高位错密度，还观察到残余奥氏体中广泛的ε-马氏体相变。这些顺序激活的变形机制（层错、纳米孪晶、TRIP效应）为高硅钢提供了持续的加工硬化能力。

**四、 讨论与结论**

研究讨论部分深入分析了硅含量通过影响贝氏体相变动力学和渗碳体析出，从而调控最终显微组织（贝氏体板条细化、残余奥氏体分数与稳定性、位错密度与晶界特征）的机制。并进一步将这些组织特征与观察到的变形机制（位错存储、层错、纳米孪晶、ε-马氏体相变）和宏观力学性能（强度、塑性、加工硬化）联系起来，阐明了高硅钢获得优异强塑协同性的根本原因。

**研究结论总结如下：**
1) 增加硅含量能显著改善超高强度带钢铸轧钢的强塑协同性。随着硅含量从0.5 wt%增加到1.0 wt%，抗拉强度和屈服强度分别从1104±12.2 MPa和919±7.1 MPa提高到1243±8.7 MPa和1008±21.3 MPa，同时总延伸率从12.2±0.8%提高到18.4±1.9%。硅含量进一步增加到1.5 wt%时，抗拉强度和屈服强度继续提高到1331±14.9 MPa和1055±19.6 MPa，而总延伸率仍保持在17.8±1.2%的较高水平。
2) 显微组织表征表明，增加硅含量能有效抑制渗碳体析出，导致更高的残余奥氏体体积分数。同时，贝氏体板条厚度逐步细化，位错密度和高角度晶界比例相应增加。
3) 膨胀分析表明，增加硅含量显著抑制了贝氏体相变动力学，导致残余奥氏体体积分数及其碳含量显著增加，并细化了贝氏体板条。
4) 10Si和15Si钢中持续的高的加工硬化能力不仅源于细化的贝氏体组织（它提供了更大的位错增殖和存储能力），还源于高硅含量钢中残余奥氏体内顺序发生的层错、纳米孪晶和TRIP效应。