马氏体亚结构对高强耐磨钢动态变形行为的影响

《Materials Science and Engineering: A》：Effect of martensitic substructure on the dynamic deformation behavior of high-strength wear-resistant steel

　　

## 摘要

NM500马氏体耐磨钢在冲击载荷下的动态承载能力和塑性流动稳定性受其初始微观组织状态的强烈控制。本研究通过两种热处理路线分别获得了位错板条马氏体（S1）和含有预存淬火诱导纳米孪晶的板条马氏体（S2）。在应变速率为1000、3000和5000 s?1条件下进行动态压缩试验，研究初始马氏体亚组织对动态力学响应和微观组织演变的影响。两种试样均表现出正的应变速率敏感性，而S2在所有应变速率下均表现出更高的强度，显示出更优的动态承载能力。相比之下，S1在相同冲击条件下经历了更大的塑性压缩。这一差异在5000 s?1时最为显著，此时S1的最终压缩应变几乎是S2的两倍，并伴随峰值后应力的快速下降和严重的压扁变形，表明发生了动态软化和塑性流动失稳。在微观组织方面，在1000和3000 s?1下，两种试样均基本保留了板条马氏体形态，变形主要通过位错累积、位错缠结和亚结构形成来调节。在5000 s?1下，S1表现出严重的板条碎裂、局部纳米晶化和微观组织重组，而S2则保留了相对完整的板条马氏体骨架，预存的纳米孪晶片层得以保持。S2改善的动态响应与其精细的分层马氏体组织、更细的碳化物弥散分布以及演变的位错亚结构的协同作用有关，同时稳定的纳米孪晶界面可能提供了额外的内部界面，限制长程位错滑移，并在动态变形过程中有助于维持微观组织稳定性。这些发现揭示了马氏体亚组织在高应变速率变形中的作用，并为马氏体耐磨钢的抗冲击微观组织设计提供了指导。

## 引言

高强度耐磨钢，如马氏体耐磨钢，因其高硬度、高强度和优异的耐磨性，被广泛应用于工程机械、采矿设备、运输车辆、海上结构和防护部件等领域[1,2]。在实际服役过程中，钢材部件除了承受常规的磨损和静载荷外，还经常受到冲击、碰撞及其他高速载荷作用[3,4]。因此，其动态承载能力、塑性流动稳定性和抗冲击变形能力对结构可靠性和使用寿命至关重要。因此，了解耐磨钢的动态变形行为和微观组织演变具有重要的科学意义和工程价值。

已有大量研究探讨了高强度钢的动态变形行为，主要集中在其应变速率依赖的流动响应、变形诱导的微观组织演变以及冲击载荷下的剪切局部化等方面[5,6,7,8]。在高强度马氏体和贝氏体钢中，动态变形通常伴随着应变速率的增加而产生明显的流动应力升高，同时伴随快速的位错累积、位错缠结和变形亚结构发展[9,10]。这些亚结构在低至中等塑性应变下有助于动态强化。然而，在更高的应变速率或更大的塑性应变下，塑性流动可能发生局部化，相关的局部温升和热软化可能超过应变硬化效应，从而触发热-机械失稳和绝热剪切局部化[11,12,13]。近期研究进一步表明，超高强度马氏体钢中的变形诱导剪切带可以演变为含有纳米晶的转变剪切带，在继续动态压缩时裂纹优先在此处萌生[14]。近期有研究报道了高强度Q&P钢中异常的高应变速率软化现象，并将其归因于碳-位错相互作用，而不仅仅是位错演化或绝热加热[15]。相比之下，通过额外塑性载体维持应变硬化或耗散变形能的微观组织机制可以延缓应变局部化[16,17,18]。例如，Kim等人证明，高强度贝氏体钢中的残余奥氏体在动态载荷下可以转变为马氏体，从而提高应变硬化并抑制绝热剪切带的形成[18]。这些研究表明，高强度钢的动态冲击性能不仅由其初始强度控制，更根本地取决于微观组织在动态变形过程中维持硬化、调节塑性应变和抑制局部软化的能力。

因此，初始微观组织是控制动态变形行为的关键因素。Hwang等人报道，更细的铁素体晶粒和更高的马氏体体积分数可以改善双相钢的动态承载能力[19]。即使在马氏体体积分数相近的情况下，马氏体形态和空间分布的变化也可能导致明显不同的断裂模式和损伤演化行为[20]。特别是，细密且连续的纤维状马氏体网络比粗大的块状马氏体能提供更有效的载荷传递和应变调节，从而改善双相钢的动态变形响应[21]。此外，Sun等人发现，Q345钢板的晶粒尺寸对高速冲击过程中的位错累积、晶界强化、局部相变和裂纹扩展有显著影响[22]。近期关于纳米析出物强化双相钢的研究进一步表明，纳米级析出物和马氏体/奥氏体骨架结构可以增强高应变速率强度，减少局部应变集中，并延缓从变形剪切带到转变剪切带的过渡[23]。然而，现有大多数研究集中在晶粒尺寸、相分数及分布、马氏体/铁素体形态、碳化物或纳米析出物方面。马氏体亚组织本身对动态变形行为的影响，特别是在含有不同板条亚组织（如位错主导马氏体和淬火诱导孪晶马氏体）的高强度马氏体钢中，仍缺乏深入理解。

孪晶相关界面提供了另一条控制动态塑性的途径。在TWIP钢中，变形孪晶被广泛认为是通过减小有效位错平均自由程和引入动态Hall-Petch强化来维持应变硬化的[24]。对TWIP钢的动态拉伸/冲击研究进一步表明，变形孪晶通过引入额外的内部界面来阻碍位错运动和细化有效变形单元，从而促进应变去局部化和维持应变硬化，进而提高动态强度、冲击韧性和塑性稳定性[25,26,27]。然而，这种有益效应并非无条件成立。Shen等人报道，在高应变速率变形下，Fe-20Mn-0.6C TWIP钢中过度的孪晶化加上绝热加热可能导致软化和应变局部化[28]。变形孪晶和冲击诱导孪晶也已在BCC低碳钢中被报道，其中孪晶界面可以贡献强化并改变局部变形路径[29,30]。然而，以往大多数研究关注的是动态变形过程中形成的变形孪晶。相比之下，淬火过程中形成的预存纳米级孪晶的稳定性，以及它们在高应变速率载荷下调节塑性流动和变形稳定性的作用，在高强度马氏体钢中仍未得到充分探索。

NM500钢是一种典型的中碳低合金马氏体耐磨钢，但其高应变速率变形行为仍缺乏充分理解，特别是初始马氏体亚组织在动态流动稳定性中的作用。虽然纳米级淬火诱导孪晶可以在Fe-C马氏体中形成[31,32]，但其对NM500钢冲击变形的贡献仍不清楚。本研究采用两种热处理路线分别获得了位错板条马氏体和含有预存淬火诱导纳米孪晶的板条马氏体。利用分离式Hopkinson压杆（SHPB）在应变速率为1000、3000和5000 s?1条件下进行了动态压缩试验，并系统表征了相应的微观组织演变。本研究的目的是阐明初始马氏体亚组织如何调节高应变速率塑性变形，并建立位错马氏体和纳米孪晶马氏体的不同变形路径，从而为NM500及相关马氏体耐磨钢的抗冲击微观组织设计提供机理指导。

## 摘要片段

### 材料与热处理

本研究采用中国山东钢铁集团有限公司生产的商用热轧NM500耐磨钢板，其化学成分列于表1。设计了两种热处理条件来调控初始微观组织。S1试样在920 °C奥氏体化30 min，随后水淬并在220 °C回火30 min。S2试样在更低的880 °C奥氏体化30 min，

### 初始微观组织

图2展示了变形前S1和S2试样的初始微观组织。SEM图像（a1和b1）显示，两种试样均由典型的板条马氏体组成，而S1试样中的马氏体板条略粗。EBSD-IPF图（a2和b2）进一步显示了两种试样中板条马氏体的分层特征，包括原奥氏体晶粒、马氏体包板、块和板条。相比之下，S1试样中的马氏体包板和块显得

### 讨论

本研究表明，两种热处理NM500钢（S1和S2）在1000–5000 s?1的动态压缩中表现出正的应变速率敏感性，但其动态承载能力和塑性流动稳定性差异显著。随着应变速率的增加，S1和S2试样的屈服强度（YS）和峰值应力（PS）均增加。然而，S2在所有应变速率下均保持更高的流动应力和更小的最终压缩应变，表明其具有更强的抗冲击变形能力。在

### 结论

本研究通过两种热处理路线获得了位错板条马氏体（S1）和含有预存淬火诱导纳米孪晶的板条马氏体（S2）。在应变速率为1000、3000和5000 s?1条件下研究了其动态压缩行为和微观组织演变。主要结论如下：

（1）两种NM500钢均表现出正的应变速率敏感性，而S2在所有应变速率下均表现出更高的屈服强度和峰值应力，表明其具有更优的动态

### CRediT作者贡献声明

Feiya Liu：撰写——原始草稿，调查研究。Zhiheng Ren：调查研究。Heng Ma：调查研究。Qingyu Fu：调查研究。Xiangyang Chen：方法论。Hongzhi Cui：撰写——审稿与编辑，监督，概念化。

### 利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

### 致谢

本项目由中国山东省重点研发计划（编号：2023ZLGX05）、中国国家自然科学基金（编号：52331004，编号：52401175）、山东省自然科学基金重点项目（编号：ZR2024ZD14）、泰山学者攀登计划（编号：tspd20230603）、泰山产业领军人才项目（编号：tscx202507011）和青岛海洋科技创新项目（25-1-1-gjgg-44-hy）资助。

Feiya Liu | Zhiheng Ren | Heng Ma | Qingyu Fu | Xiangyang Chen | Hongzhi Cui

中国海洋大学材料科学与工程学院，青岛，266100，中国