4wt% 中锰空淬钢的双重保温

《Materials Science and Engineering: A》：Double Soaking of Air-Hardening 4?wt% Medium Manganese Steels

　　

摘要

双次浸泡（DS）工艺可应用于钢铁生产商通过奥氏体逆转变（ART）退火在锻造钢生产路线中应用，随后在热锻前进行感应加热奥氏体化。通过这种方式，DS工艺可实现更高的马氏体含量和强度，同时ART退火期间获得的残余奥氏体得以保留，在塑性和高强度之间实现灵活的平衡。本研究探讨了空气硬化4 wt%中锰钢在DS工艺过程中的奥氏体逆变行为和微观组织演变。利用膨胀计测定了第一次浸泡步骤即ART退火至16小时的相变过程。膨胀收缩数据表明，奥氏体逆变的程度与温度和时间均成正比。通过在退火后测定Ms温度评估了逆转变奥氏体的稳定性，结果表明较低的临界转变温度有利于稳定的奥氏体形成，而较高的临界转变温度则导致较不稳定的奥氏体比例和更多新鲜马氏体的生成。通过SEM和XRD进行微观组织表征，证实了球状和马氏体板条状奥氏体形貌的发展。DS处理的第二次浸泡导致两种不同类型的新鲜马氏体形成。虽然ART退火获得了更优异的强度-塑性平衡，但DS处理提高了极限抗拉强度和应变硬化能力，同时抑制了锯齿状流动。

引言

钢合金的化学界面工程（CBE）是一种最近提出的微观组织设计方法，通过模式化化学不均匀性来改善力学性能。在中锰（MMn）钢中，CBE通过亚临界温度区间的ART退火处理，在亚微米尺度上产生包含富锰奥氏体和贫锰铁素的初始微观组织1, 2, 3。奥氏体的体积分数和化学不均匀性可以通过ART退火路线来控制[4]。尽管ART退火为中锰钢提供了有前景的力学性能，但根据所选的工艺参数5, 6, 7和初始微观组织[8]，可能出现吕德斯带、锯齿状流动和低屈服强度等问题。这些观察结果主要归因于奥氏体相的力学稳定性，受其化学成分（如Mn浓度和分布均匀性）或形貌特征的影响。

ART退火是中锰钢中稳定残余奥氏体（RA）的一种成熟方法。作为将ART与闪速退火相结合的工业化变体，ART-Flash工艺因利用快速加热（约100–300 °C/s或更高）至超过Ac3温度10, 4, 9或高于ART退火的较高亚临界退火（IA）温度11, 12, 13，且持续时间较短（约1 s）而受到关注。因此，微观组织转变为两种不同类型的奥氏体。由于Mn扩散缓慢，ART退火期间建立的化学不均匀性得以保留，从而阻止了Mn的均匀化，维持了富锰区和贫锰区。富锰区促进奥氏体的稳定，而贫锰区则在淬火过程中促进马氏体的形成10, 4, 9。此外，富锰区促进RA的富碳，从而提高TRIP效应并影响吕德斯带14, 7。然而，ART-Flash方法中闪速步骤的高加热速率更适合板材，因为在板材中更容易实现均匀和快速加热。

与ART-Flash方法类似，一种称为双次浸泡（DS）的替代方法在中锰钢中受到了广泛关注15, 16, 17, 18。DS方法是一种两步热处理工艺，旨在同时提高强度和塑性。在第一次浸泡中，进行中间淬火或ART退火，从初始马氏体微观组织中获得细粒奥氏体和铁素体。随后，在更高温度下进行第二次浸泡步骤，促进铁素体形成二次奥氏体。该第二步的保温时间最小化以减少Mn扩散率和两种奥氏体类型之间Mn浓度的均匀化。在最终淬火期间，新形成的二次奥氏体转变为马氏体。因此，DS产生了类似于Q&P钢的由马氏体和RA组成的细化微观组织，但在工业加工中更具实用性。

最近对DS工艺的研究强调了马氏体的形貌和相变动力学。Kozlowska等人研究了在不同加热和冷却速率下经历DS处理的Al合金化中锰钢在第二次浸泡步骤中的微观组织演变[19]。他们根据对Q&P钢中马氏体微观组织的全面研究20，确定了两种类型的马氏体：由贫C/Mn奥氏体形成的板条马氏体（M1）和块状马氏体（M2）区域。M1马氏体在较高Ms温度下从贫C和贫Mn奥氏体中较早形成，因此位错密度较低。相反，M2马氏体从富C/Mn奥氏体中在较低温度下形成，具有高位错密度。Mueller等人在对Fe–0.0005C–7.19Mn–0.25Si钢DS的研究中也提出了类似的微观组织定义[21]。

为了理解DS处理后马氏体比例的演变，必须详细表征第一次浸泡步骤，即ART退火，因为第二次浸泡后的马氏体形貌在很大程度上由初始微观组织决定。中锰钢在ART退火后通常含有多种相，如板条铁素体（退火马氏体）、逆转变奥氏体、新鲜马氏体、马氏体/奥氏体（M/A）和渗碳体。ART退火后的形貌高度依赖于初始微观组织，后者在变形程度方面也可能存在差异[22]。在冷轧条件下，ART退火后可观察到球状形貌，这取决于铁素体基体和M/A区域的再结晶和球化21, 23, 24, 25, 26。另一方面，未变形的初始微观组织有利于板条状或薄膜状形貌的发展21, 23, 27。

从初始马氏体微观组织进行ART退火时，所得细微观组织由板条铁素体和奥氏体组成，后者包括板条状和球状两种形态[28]。板条铁素体（其他研究者也称为退火马氏体）由初始马氏体保留下来，同时碳扩散出去稳定了铁素体。板条宽度在200到500 nm之间，取决于亚临界条件。板条奥氏体在先前马氏体边界和碳化物/基体界面处形核和生长，宽度为100–300 nm，长宽比为5:1到15:1。球状奥氏体在先前奥氏体晶界或包界处形成，尺寸范围从300 nm到1.5 μm，长宽比为1:1到2:1。在接近Ac1温度时，倾向于形成细小的球状奥氏体岛。因此，在DS第一次浸泡后可观察到板条状和球状两种形态的原始奥氏体。因此，理解第一次浸泡期间发生的奥氏体逆变对于解释双次浸泡后观察到的微观组织至关重要。

DS方法不同于中锰钢使用的常规最终ART退火热处理。该方法已应用于冷轧15, 16, 17或热轧[29]中锰钢板材，但尚未应用于热锻应用。在本研究中，我们引入了针对空气硬化4 wt%中锰钢的DS热处理[30]。在实验工作中，讨论了中锰钢在DS处理过程中的微观组织演变。作为第一次浸泡步骤，ART退火在不同亚临界温度和持续时间下进行，以研究奥氏体逆变过程中的相变。采用膨胀计、SEM、XRD和Thermo-Calc计算来量化临界转变温度、残余奥氏体分数和碳化物溶解。马氏体和逆转变奥氏体形貌的演变与测得的马氏体开始转变温度相关联。随后进行第二次浸泡以确定DS处理后的微观组织和力学性能。DS处理的中锰钢的力学性能发现强烈依赖于微观组织，包括马氏体、残余奥氏体和铁素体。与ART退火样品相比，DS处理样品表现出更高的应变硬化且无锯齿状流动。

章节摘要

实验

所研究的钢由Georgsmarienhütte GmbH（德国Georgsmarienhütte）在电弧炉中以约120 t熔炼量进行熔炼并连续铸造。该钢以热轧状态获得，其化学成分列于表1。C和Mn作为奥氏体稳定剂进行合金化，而Mo和B提供了额外的淬透性，因为该钢种设计通过空气冷却获得马氏体微观组织[30]，以减少碳足迹的

初始微观组织

中锰钢的ART退火工艺通常涉及两个主要步骤。首先，进行奥氏体化处理后淬火以获得淬火马氏体。随后，通过在铁素体+奥氏体区域内的亚临界退火（IA）实现奥氏体逆变。如图1a所示，热轧态钢具有包含贝氏体和回火马氏体的复杂微观组织。这些组成相可通过其对Nital蚀刻的响应加以区分

结论

本研究展示了DS处理应用于空气硬化4 wt%中锰钢的优势。本研究的主要发现总结如下：

• •
  膨胀分析表明，奥氏体逆变在加热过程中开始并在ART退火期间持续进行。在亚临界温度下更长的保温时间促进了奥氏体的形成。然而，在740 °C的较高温度下，16小时后出现了相变平台。较低的亚临界温度（650-670 °C）和更长的保温时间有利于

CRediT作者贡献声明

Ulrich Krupp： 监督、资源、项目管理、资金获取。Finn Schulz： 软件、调查、数据管理。Sitki Can Akku?： 可视化、软件、方法学、调查。Ersoy Eri?ir： 撰写—原稿、监督、项目管理、方法学、调查、资金获取、形式分析、数据管理、概念化。Alexander Gramlich： 撰写—审稿与编辑、可视化、资源、项目管理、方法学，

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本论文所报告的工作。

致谢

Ersoy Eri?ir感谢土耳其科学与技术研究委员会（TüB?TAK）在资助编号1059B192400957下的财政支持。本研究的进行于亚琛工业大学钢铁研究所（Institut für Eisenhüttenkunde, IEHK）的学术访问期间。

Ersoy Eri?ir|S?tk? Can Akku?|Finn Schulz|Ulrich Krupp|Alexander Gramlich

科贾埃利大学，冶金与材料工程系，科贾埃利41001，土耳其