温轧压下率对双相钢中铁素体亚结构及拉伸断裂行为的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：Effect of warm rolling reduction on ferrite substructure and tensile fracture behavior in Dual-Phase steel

　　

异质结构设计是提升低碳微合金化（LCMA）钢强塑协同性的有效策略。其核心挑战在于调控软硬相间的界面行为，以利用异质变形诱导（HDI）硬化效应，同时抑制由界面应变局部化引起的过早损伤。针对该挑战，研究人员提出“软相亚结构调控”策略。通过不同压下率（R=0%，45%，65%及85%）的温轧工艺，调控软相（多边形铁素体，PF）与硬相（层状结构，LS）间的相分数、强度差及亚结构（低角度晶界，LAGBs）分布，从而改善异质结构的协调变形能力。结果表明，在45%压下率下，PF晶粒内形成高密度LAGBs网络（1.96×109mm/m2），不仅增强了PF的硬化（2.24 GPa），还诱导了强烈的HDI硬化效应。此外，该LAGBs网络作为位错源促进了多级滑移微带的形成，实现了均匀应变分布与多阶段应变硬化。最终，试样屈服强度提高37.8%（从498 MPa至686 MPa），同时保持24.6%的延伸率。相比之下，高压下率（85%）试样虽强度较高（858 MPa），但PF过度硬化（2.77 GPa）导致晶界区域应变局部化，延伸率降至14.8%。微观损伤机制从PF主导的裂纹尖端钝化转变为界面分层主导的准解理断裂。

该研究发表于《Journal of Materials Research and Technology》。在海洋能源开发等工程结构领域，对兼具高强度与优异塑性的低碳微合金化（LCMA）钢需求日益迫切。传统强化手段如增碳、微合金化或细晶化虽能提升强度，却常因局部应变硬化饱和导致塑性与应变硬化能力显著下降。近年来，异质结构设计通过耦合具有强度差的软硬相（如铁素体与马氏体/贝氏体）激活异质变形诱导（HDI）硬化，被视为突破强塑倒置的有效策略。然而，异质材料宏观性能受限于软硬相界面的应变兼容性：足够的强度差诱导应变梯度与HDI强化，但过大差异抑制应变传递引发界面应变集中与微裂纹形核。现有研究多聚焦硬相调控（如细化马氏体），面临晶粒过度细化协同效应难维持或降低强度差牺牲整体强度的局限。因此，研究焦点转向软相微结构设计，理想软相应具备初始屈服强度匹配硬相以激活HDI效应，并在大应变阶段保留塑性储备与多滑移能力协调界面应变。在此背景下，动态回复温度范围内的温轧通过在铁素体晶粒中引入低角度晶界（LAGBs）等亚结构，调控其密度与分布以控制软相硬化程度，成为极具潜力的方案，但温轧压下率如何通过亚结构演化优化软相性能并决定异质结构变形与断裂机制尚缺乏系统研究。为此，研究人员提出通过控制温轧压下率在铁素体中生成LAGBs网络以优化异质结构协调变形能力的策略，系统调控晶粒形态、相间强度差及多尺度亚结构分布，旨在实现LCMA钢强塑协同与揭示微观机理。

为开展研究，研究人员以120 mm厚海洋平台钢为样本队列来源，主要关键技术方法包括：制备获得马氏体与铁素体相并经回火处理，随后在约600℃下进行不同道次温轧以获得45%、65%及85%压下率试样；沿轧制方向制备拉伸试样进行室温拉伸测试，采用纳米压痕仪测量微硬度，进行循环加载-卸载-重加载（LUR）拉伸实验及原位扫描电子显微镜（SEM）拉伸实验；利用SEM、电子背散射衍射（EBSD）表征显微组织，通过透射电子显微镜（TEM）结合能谱仪（EDS）进行微观结构与元素分布分析，并使用专业软件进行相体积分数与层宽统计。

3. Results

3.1. Microstructure characterization

通过SEM、EBSD及TEM表征发现，45%压下率试样呈PF（V_PF=41%）与层状结构（LS）共存的异质结构，PF平均晶粒尺寸12.4±2.8 μm，LS为3.1±0.6 μm，呈双峰分布，LAGBs线性密度最高达1.96×10⁹mm/m²，其中位错墙（2°≤θ<5°）密度为1.05×10⁹mm/m²。随压下率增至65%，PF体积分数降至16%，至85%时完全转变为均匀LS，晶粒细化至1.9±0.7 μm，高位错密度区集中于晶界，平均几何必需位错（GNDs）密度从11.7×10¹⁴/m²升至18.2×10¹⁴/m²，高角度晶界（HAGBs）比例从53%升至71%，平均层宽从664±98 nm降至210±38 nm。

3.2. Mechanical properties

纳米压痕显示PF微硬度从1.86 GPa升至2.71 GPa，相间最大硬度差从1.3 GPa降至0.9 GPa。力学测试表明，0%压下率屈服强度498±8 MPa，延伸率27.3±0.9%；45%压下率屈服强度增至686±10 MPa（提升37.8%），延伸率保持24.6±0.5%，强塑协同最优；85%压下率屈服强度达858±6 MPa，延伸率降至14.8±0.3%。应变硬化率显示45%试样具约3.5%与6%真应变的双阶段硬化特征。LUR实验表明45%试样HDI应力（σ_HDI）随应变增长速率最高，9%应变时σ_HDI/总流变应力比达55.8%，持续激活HDI硬化；85%试样初始σ_HDI高但增速放缓趋于饱和。

3.4. Fracture behavior of test steel

断口宏微观表征显示45%试样剪切唇区大且连续，覆盖高密度均匀韧窝，呈韧性断裂，分层裂纹源于PF与LS晶界并扩展，在PF内钝化偏转。85%试样剪切唇区减小不连续，断口以解理面为主伴稀疏细小韧窝，呈准解理断裂；原位SEM显示早期应变不相容致铁素体层微裂纹形核，后期裂纹穿透晶界沿层间界面汇集成宏分层裂纹。过量铁素体硬化使异质晶界由阻碍转为加速裂纹扩展路径。

4. Discussion

讨论部分指出45%试样的优异性能源于PF与LS异质结构设计及PF强度、尺寸与亚结构分布优化。PF硬化源于位错增殖、亚结构形成与取向演化，温轧引入LAGBs网络增强PF强度（2.24 GPa）且保留变形能力，维持稳定应变梯度与GNDs积累以激活HDI硬化；85%时PF过度硬化（2.77 GPa）致亚结构向HAGBs转变，应变局部化削弱HDI持续发展。45%试样中PF内高密度LAGBs作为位错障碍提升强度，后续作为位错源激活多级滑移微带，促进应变均匀化与二次应变硬化，涉及HDI硬化、LAGBs位错强化与微带促应变均匀的多层次机制。断裂机制演变表明45%时PF塑性好，界面钝化偏转裂纹致韧性断裂；85%时PF过度硬化损界面协调能力，界面分层主导准解理断裂。强塑调控本质是晶粒硬化度与异质界面协调变形能力的竞争，45%下LAGBs网络平衡二者实现协同。

5. Conclusions

研究表明温轧制备高性能异质LCMA钢的有效途径。结论如下：

1. 1.
   45%压下率温轧后LCMA钢呈PF与LS混合组织（V_PF=41%），屈服强度686±10 MPa（较0%增37.8%），延伸率24.6±0.5%；85%压下率转均质LS，屈服强度858±6 MPa，延伸率14.8%。
2. 2.
   低压下率（45%）温轧在PF内产生高密度LAGBs等亚结构，通过位错钉扎增强晶粒强度，在异质界面形成稳定应变梯度诱导显著HDI硬化；PF内发育多级滑移微带网络促应变均匀分布延缓缩颈，获优异二次应变硬化能力。
3. 3.
   铁素体硬化程度影响断裂行为：45%试样PF与LS界面有效容纳塑性应变，呈界面分层、裂纹偏转增韧的韧性断裂；85%时铁素体持续硬化损LS界面应变容纳能力，界面转为分层裂纹形核扩展优选路径，转为准解理断裂。

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