铝(Al)含量对温轧+回火中锰钢显微组织及低温冲击韧性的影响及其机理

《Journal of Materials Research and Technology》：Effect and mechanism of Al content on the microstructure and low-temperature impact toughness of warm-rolled and tempered medium-Mn steels

　　

研究人员系统研究了铝(Al)含量（1.25 vs. 2.50 wt.%）对Fe–5Mn–0.3C中锰钢经温轧(warm rolling)及400℃回火(tempering)后显微组织演变及低温冲击韧性的影响。结果表明，将Al含量从1.25 wt.%提高至2.50 wt.%促进了碳化物(M3C)粗化与局部团聚，削弱了有效界面细分作用，并加速了显微组织回复。晶体学方面，高Al钢增强了易解理的<001>//RD织构组分，同时降低了有利于滑移的<110>//RD组分及有助于分层增韧(delamination toughening)的<110>//ND组分。因此，1.25Al钢表现出更优的低温韧性，其上平台能(USE, Upper Shelf Energy)为152 J，韧脆转变温度(DBTT, Ductile-to-Brittle Transition Temperature)为?89 ℃；而2.50Al钢发生明显脆化，USE降至108 J，DBTT升高至?38 ℃。韧性恶化归因于显微组织粗化、不利织构演变及稳定裂纹扩展能受抑三者协同作用。本研究阐明了Al含量影响中锰钢低温韧性的机理，为低温服役高韧性中锰钢设计提供了指导。

论文解读：铝(Al)含量对温轧与回火中锰钢显微组织及低温冲击韧性的影响及其机理

发表于《Journal of Materials Research and Technology》

一、研究背景与目的

液化气体储运对低温结构材料需求日益增长，传统低温材料（奥氏体不锈钢、Ni钢、Invar合金）虽性能优良但严重依赖昂贵合金元素。中锰钢(Medium-Mn steels, 3–10 wt.% Mn)因强度–塑性–韧性匹配较好被视为低成本替代方案，但其低温韧性不足且残余奥氏体稳定性难以控制，TRIP（Transformation Induced Plasticity，相变诱导塑性）增韧机制在低温下可靠性差。温轧(warm rolling)可引入超细层片状组织促进分层增韧(delamination toughening)，但Al作为铁素体稳定元素对中锰钢相变、碳配分及碳化物演变影响显著，现有研究多关注其对含残余奥氏体中锰钢的作用，而Al含量对温轧+回火层片马氏体组织低温韧性的影响尚不明确——特别是碳化物析出、织构演变与裂纹扩展行为间的关联。为此，研究人员选取Fe–5Mn–0.3C基中锰钢（含1.25 wt.%与2.50 wt.% Al），系统研究Al含量对显微组织、晶体学特征、低温冲击韧性及断裂机理的影响，阐明Al致韧性变化的微观机理。

二、主要实验方法

研究人员通过真空感应熔炼制备两种成分（1.25Al与2.50Al）50 kg铸锭，锻造成坯后经600℃温轧（70%压下量）至12 mm厚，切取试样进行400℃×15 min退火+空冷。采用扫描电镜(SEM, Scanning Electron Microscope)、电子背散射衍射(EBSD, Electron BackScatter Diffraction)、透射电镜(TEM, Transmission Electron Microscope)及能谱(EDS, Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)表征显微组织、析出物、晶粒取向与织构；X射线衍射(XRD, X-ray Diffraction)定量测定残余奥氏体体积分数；室温拉伸试验按GB/T 228.1–2010执行；夏比U型缺口冲击试验按GB/T 229–2020在20℃至?196℃开展，仪器化冲击记录载荷–位移曲线并通过柔度变化率(CCR, Compliance Changing Rate)法分解裂纹启裂能(E_initiate)、稳定扩展能(E_stable)与不稳定扩展能(E_unstable)；Thermo-Calc计算平衡相图确定Ac₁、Ac₃温度。

三、研究结果

3.1 显微组织(Microstructures)

SEM与TEM观察显示两种钢均为沿轧向(RD, Rolling Direction)拉长的回火马氏体组织，1.25Al钢马氏体板条细小连续、纳米级M₃C碳化物均匀弥散分布且板条界清晰、位错密度高；2.50Al钢出现局部粗化板条/块状特征，碳化物粗化、链状/团簇分布甚至形成连续析出带，板条界模糊。XRD测得1.25Al钢残余奥氏体体积分数为9.3 vol.%，显著高于2.50Al钢。EBSD统计表明2.50Al钢平均晶粒尺寸由0.51 μm增至0.61 μm，大角度晶界(HAGBs, High-Angle Grain Boundaries, >15°)密度由3.305 μm^?1降至2.368 μm^?1，小角度晶界(LAGBs, Low-Angle Grain Boundaries, 2–15°)密度亦降低；碳化物平均尺寸由138 nm增大至152 nm，数密度由10.85 μm^?2降至8.56 μm^?2。Kernel Average Misorientation(KAM, 核平均取向差)平均值由0.55°降至0.48°，证实高Al促进动态回复、削弱温轧细化效果。结论：提高Al含量引起碳化物粗化与减少、Zener钉扎(Pinning)效应减弱、位错与亚晶界湮灭加速，导致组织粗化与回复加剧。

3.2 力学性能(Mechanical properties)

室温拉伸：1.25Al钢屈服强度(YS, Yield Strength)1182±3 MPa、抗拉强度(UTS, Ultimate Tensile Strength)1398±14 MPa均高于2.50Al钢（YS 1073±9 MPa，UTS 1285±26 MPa），总延伸率相当（~12.3% vs ~12.8%），强塑积接近。夏比冲击：两钢均呈典型S型韧脆转变曲线，1.25Al钢在整个温区韧性更优——上平台能(USE)达152 J（20℃），DBTT约?89℃；2.50Al钢USE仅108 J，DBTT升至?38℃。随温度降低两钢差值扩大（如?60℃分别为~140 J与~60 J）。结论：1.25Al钢在保持较高强度的同时具备显著更低的DBTT与更高低温冲击吸收功。

3.3 断口形貌与断裂模式(Fracture morphology and fracture mode)

?20℃时1.25Al钢为韧窝+明显分层(delamination)台阶的延性断裂；2.50Al钢断面较平，出现准解理面混合断裂。?60℃时1.25Al钢仍保留延性特征与分层，2.50Al钢转为典型解理(cleavage)断裂。宏观断口：1.25Al钢全程分层数量更多、塑性弯曲更明显（20℃呈"V"形开口），2.50Al钢随降温快速趋于平直脆性断口。结论：1.25Al钢通过更多分层裂纹偏转与三叉应力松弛延缓脆性转变，2.50Al钢分层能力弱、易沿解理面扩展。

3.4 载荷–位移曲线分析(Analysis of load-displacement curves)

仪器化冲击曲线显示两钢峰值载荷相近，但1.25Al钢峰后平台宽、载荷波动（锯齿状）明显、总挠度大，代表稳定裂纹扩展阶段长、E_stable高；2.50Al钢峰后迅速跌落、E_stable低。随降温E_stable均下降，?196℃均呈瞬间脆断。能量分解表明总冲击能差异主要源于E_stable（裂纹扩展阶段）而非启裂能。结论：低温韧性差异主要由稳定裂纹扩展抗力——即分层增韧与塑性耗能能力决定。

四、讨论与结论总结

讨论部分指出，高Al促进碳化物粗化→Zener钉扎减弱→亚晶界迁移与位错湮灭加速→组织回复与取向合并→晶粒与板条粗化、HAGB密度降低。织构上，2.50Al钢<001>//RD（bcc易解理{001}面平行断裂面）组分增强且呈带状连续分布，<110>//RD（有利{110}<111>滑移）及利于分层起始的<001>//ND、维持分层塑变的<110>//ND均减弱。粗化组织提供较少裂纹阻碍，不利织构促使裂纹沿解理敏感取向带快速扩展，而有利滑移组分减少削弱协调变形，三者协同压低E_stable与分层增韧效果，使DBTT升高。1.25Al钢因更细的细分组织、有利的滑移织构及强分层效应，持续缓解裂尖应力集中、推迟脆性断裂。

结论(Conclusions，译自原文)：

(1) 温轧+回火后两钢均形成沿轧向拉长的回火马氏体组织，但Al含量由1.25 wt.%增至2.50 wt.%导致明显显微组织粗化；析出物粗化且数量减少，削弱了晶界分割效应并加速显微组织回复程度。

(2) 提高Al含量显著改变与裂纹扩展相关的晶体学织构——2.50Al钢中易解理的<001>//RD取向增强，有利滑移的<110>//RD取向减弱，同时有益于分层增韧的<110>//ND组分降低，该织构演变共同削弱协调塑性变形能力并增加解理断裂倾向。

(3) 1.25Al钢表现出更优强韧性匹配与低温冲击性能，具更高稳定裂纹扩展能、更显著分层增韧效应及更低韧脆转变温度(DBTT≈?89℃)；2.50Al钢低温韧性明显恶化(DBTT≈?38℃)，其脆化归因于碳化物粗化、晶界细分减弱及不利织构组分增强之协同效应，从根本上抑制了裂纹扩展过程中的塑性耗能。