层状异质结构Fe-5.9Mn-1.0Al-1.55Si-0.055C中锰钢的制备与变形机理

《Materials Science and Engineering: A》：Fabrication and Deformation Mechanisms of Lamellar Heterostructured Fe-5.9Mn-1.0Al-1.55Si-0.055C Medium-Mn Steel

　　

摘要

本研究考察了一种Fe-5.9Mn-1.0Al-1.55Si-0.055C（重量百分比）的中等锰含量钢材，通过调整退火温度，在该钢材中形成了由纤维状δ-铁素体和细晶粒铁素体/奥氏体双相区域组成的层状异质结构。研究了在660–760°C退火温度下样品的变形机制和断裂行为。退火温度为740°C的样品表现出最佳的强韧性平衡，其屈服强度、抗拉强度和总延伸率分别为775 ± 4 MPa、1025 ± 1 MPa和28.4 ± 1.3%。亚稳态奥氏体表现出TRIP/TWIP辅助变形现象，并伴随着堆垛错位和变形孪晶的产生，这与其相对较低的堆垛错位能量（约为20.5 mJ/m2）一致。准原位EBSD分析显示，在异质界面附近TRIP效应更为显著，纤维状δ-铁素体与周围硬质区域之间的机械不兼容性促进了应变梯度相关的几何必要位错（GND）积累和HDI强化。因此，TRIP效应和HDI强化在异质界面附近是动态耦合的，而非独立作用。此外，纤维状δ-铁素体在断裂过程中发挥了双重作用：界面处的机械失配促进了损伤的起始，而其塑性变形能力和纤维状 morphology通过钝化裂纹、使裂纹偏转和形成裂纹桥增强了裂纹扩展的阻力。这些结果表明，通过热处理调整层状异质结构和奥氏体稳定性是改善中等锰含量钢材强韧性平衡的有效策略。

引言

轻量化是先进制造领域的一个核心发展趋势，对结构材料在机械性能、重量减轻和成本效益方面提出了越来越严格的要求[1]、[2]、[3]、[4]。在这一背景下，结合高强度和高韧性的新一代金属材料已成为主要的研究焦点。其中，以中等锰含量钢材为代表的第三代先进高强度钢材因其优异的机械性能和可控的成本而受到了广泛关注[5]、[6]。这些钢材的锰含量通常在3%到12%之间，其卓越的强韧性平衡主要归因于变形过程中亚稳态奥氏体导致的形变诱发塑性（TRIP）和孪晶诱发塑性（TWIP）效应[7]、[8]、[9]。为了获得具有出色机械性能的中等锰含量钢材，人们投入了大量精力来调整保留奥氏体的特性，包括其体积分数[10]、稳定性[11]、形态[12]、晶粒尺寸[13]和元素分配[6]。

长期以来，结构材料一直受到强度和韧性之间权衡的限制[14]、[15]。最近的研究表明，构建异质微观结构是一种有前景的策略，可以克服这种传统的权衡[16]、[17]、[18]。异质结构材料可以通过其组分之间的机械相互作用同时增强应变硬化能力和变形适应性，从而实现机械性能的协同优化。Ding等人[19]通过结合温轧和快速退火的创新工艺，在轧制方向上开发了一种具有交替铁素体和奥氏体层的异质亚稳态层状钢材，达到了约1.2 GPa的抗拉强度和约78%的均匀延伸率。Wang等人[20]将快速退火与化学异质性概念相结合，通过控制加热速率并促进碳向富锰奥氏体中的分配来稳定奥氏体，从而显著提高了屈服强度同时保持了良好的韧性。Lu等人[21]通过温轧和高于临界温度的退火，在中等锰含量钢材中构建了层状-颗粒状双态异质结构，并通过TRIP效应、HDI强化和分层强化的协同作用，实现了高达65 GPa·%的强韧性乘积。

在中等锰含量钢材中，TRIP效应和HDI强化是两个关键机制；然而，它们之间的相互作用以及对机械性能的综合影响尚未完全理解。Zhang等人[22]指出，HDI应力可以在塑性变形过程中促进TRIP效应的激活。这归因于软区中的非均匀应变分布，其中稳定性较低的奥氏体优先发生马氏体转变。相比之下，Li等人[23]认为TRIP效应通过马氏体转变有效地缓解了晶界处的应力集中，从而在后续变形阶段减少了HDI应力，引起了“背应力软化”和“有效应力硬化”。结果，损伤得以延缓，韧性得到了提高，同时保持了高强度。因此，阐明TRIP效应和HDI强化之间的相互作用机制，并深入了解中等锰含量钢材的变形行为对于进一步优化其机械性能具有重要意义。

研究表明，添加稳定铁素体的元素（如铝）可以使高温 δ-铁素体在室温下保持稳定，从而形成由δ-铁素体、奥氏体和马氏体组成的多相微观结构[24]、[25]。这种微观结构的形成归因于凝固过程中δ → γ相变的部分抑制。特别是在现代连续退火过程中采用的短时间退火条件下，不足的扩散进一步促进了δ-铁素体作为第三相的保留。δ-铁素体对机械性能的影响仍存在争议。Wang等人[26]报告称其存在会降低冲击韧性，而Zhang等人[27]则认为相对柔软的纤维状δ-铁素体可以改善马氏体钢材的韧性。当前的研究主要集中在化学成分和冷却速率对δ-铁素体形成的影响[28]、[29]上。然而，δ-铁素体的形态特征对中等锰含量钢材强韧性协同作用的影响尚未得到充分理解，其在异质结构中的机械作用仍需进一步系统澄清。

因此，在本研究中，我们研究了一种含有纤维状δ-铁素体的中等锰含量钢材，并系统地调整了退火温度以诱导δ-铁素体不同程度的再结晶，从而精确控制其形态。通过显微硬度测量、拉伸试验和断裂分析全面评估了其机械性能，特别关注了纤维状多相结构中TRIP效应和HDI应力之间的协同作用及其对强韧性平衡的影响。进一步阐明了δ-铁素体形态演化在断裂行为中的作用。这些发现为中等锰含量钢材的微观结构设计和合金成分优化提供了理论基础和指导。

章节摘录

材料与方法

所研究的中等锰含量钢材的化学成分为Fe-5.9Mn-1.0Al-1.55Si-0.055C（重量百分比）。铝的添加有助于 δ-铁素体的保留，而相对较低的碳含量则有助于避免脆性碳化物的形成，并提高了钢材的焊接性和可成形性。使用基于所研究钢材名义成分的Thermo-Calc 2023a软件和TCFE9数据库进行了热力学平衡计算。

层状异质结构的特性

图1展示了热轧（HR）和冷轧（CR）状态下中等锰含量钢材的SEM微观结构。HR微观结构主要由退火态的板条马氏体（α′）和沿轧制方向（RD）连续分布的纤维状δ-铁素体组成。中等锰含量钢材中δ-铁素体的形成通常与合金元素偏聚、较高的Al/Si含量以及凝固过程中δ → γ相变不完全有关。

变形过程中的应变分配

传统中等锰含量钢材的微观结构通常由微米/亚微米级别的等轴奥斯蒂纳体和铁素体/马氏体组成[35]。它们优异的机械性能主要源于晶界强化、TRIP效应和多相协同变形机制。然而，不同相之间固有的机械性能差异往往会导致局部应力集中和异质应变分布，从而影响...

结论

本研究考察了一种Fe-5.9Mn-1.0Al-1.55Si-0.055C（重量百分比）的中等锰含量钢材。通过调整退火温度，形成了由纤维状δ-铁素体和细晶粒双相区域组成的异质结构，并对其微观结构演变、变形行为和断裂机制进行了系统分析。主要结论如下：

(1)

不同的退火温度显著影响了纤维状δ-铁素体的形态和再结晶程度，...

CRediT作者贡献声明

刘向华：指导。艾正荣：验证。颜舒：写作 – 审稿与编辑、项目行政、方法论、资金获取。梁陶莎：写作 – 审稿与编辑、资源准备。余志福：写作 – 原稿撰写、可视化、软件使用、实验设计、数据分析、概念化

数据可用性

数据可根据请求提供。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号52174358、52101107）、中央高校基本科研业务费（编号N2302006）以及111项目（B16009）的财政支持。

余志福|颜舒|梁陶莎|艾正荣|刘向华

东北大学材料科学与工程学院，沈阳110819，中国