异质前驱体与碳化物相关界面赋予中锰钢强塑性协同

《Materials Science and Engineering: A》:Heterogeneous Precursors and Carbide-Associated Interfaces Enable Strength–Ductility Synergy in a Medium-Mn Steel

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月12日 来源:Materials Science and Engineering: A 6.1

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   摘要中Mn钢的力学响应不仅取决于保留奥氏体的含量,还取决于其在变形过程中的分布和相变活性。在本研究中,我们在一种异质Fe-0.2C-8Mn-3Al-3.5Ni-1Cu-0.08Mo-0.08Ti-0.10V(wt.%)钢中构建了水冷和空冷两种前驱态,以阐明它们对多阶段快速退火

  

摘要

中Mn钢的力学响应不仅取决于保留奥氏体的含量,还取决于其在变形过程中的分布和相变活性。在本研究中,我们在一种异质Fe-0.2C-8Mn-3Al-3.5Ni-1Cu-0.08Mo-0.08Ti-0.10V(wt.%)钢中构建了水冷和空冷两种前驱态,以阐明它们对多阶段快速退火(MRA)过程中微观组织演化的影响。水冷却路径在退火后保留了继承自板条的多相形貌。相比之下,空冷路径产生了更细、更分散的重构组织,包含FCC和BCC相。在空冷路径中,保留的富Ti和富V的MC碳化物与相界和晶界一起提供了分散的界面网络,支持界面介导的重构而非以大量碳化物溶解为基础的碳供给机制。这种重构结构与更细的保留奥氏体分布以及拉伸变形过程中更高的FCC转变率一致。AC-MRA实现了更优的强塑性匹配,抗拉强度为1145 MPa,均匀伸长率为48.5%,强度与伸长率的乘积约为65 GPa·%。尽管无Cu的C-AC-MRA对照样品含有更高的初始FCC分数,但AC-MRA的有效FCC转变率高于WQ-MRA,为64.6%对42.1%。这种改善的响应与空冷前驱路径和含Cu异质设计的综合效应有关,这与保留奥氏体更有效的利用以及更稳定的加工硬化响应一致。

引言

中Mn钢因其兼具高强度、良好的塑性和适中的合金成本而备受关注[1], [2]。它们主要作为第三代先进高强钢用于汽车结构件的开发。这种性能组合支持了汽车轻量化、成形性和碰撞安全性的要求[3], [4]。除汽车板材应用外,更广泛的碳中Mn钢家族中更高含碳等级的钢种也被研究用于采矿服务中的抗冲击和耐磨部件[5], [6]。本研究关注一种低碳中Mn钢。其力学响应与嵌入在BCC主导基体中的保留奥氏体(RA)密切相关。在拉伸变形过程中,RA可以通过应变诱导相变转变为马氏体。这种相变诱导塑性(TRIP)效应维持了加工硬化并延缓了塑性失稳[7], [8]。然而,RA的作用不仅取决于其体积分数。其化学稳定性、尺寸、形貌、空间分布和晶体学取向共同决定了其力学稳定性和相变行为[9]。因此,提高中Mn钢的强塑性匹配需要对RA含量及其变形过程中的相变活性进行控制[10], [11]。
退火是控制中Mn钢中回复奥氏体的重要途径[12], [13]。两步或多阶段退火可以通过改变加热路径和元素分区来调节奥氏体的形核、生长和稳定化[14]。这导致具有不同奥氏体形貌和稳定性的多相微观组织。先前的研究表明,薄膜状、块状和等轴奥氏体在TRIP激活和应变容纳方面存在显著差异[7], [9]。同时,碳化物的析出、保留和溶解可以影响C和Mn的局部分区、界面迁移和奥氏体回复[15], [16]。因此,退火后的微观组织不仅由退火温度和保温时间决定,还与退火前的前驱微观组织密切相关。
前驱微观组织定义了随后退火过程中的形核位点、界面类型、局部储存能和元素重分布路径[17], [18]。在中Mn钢中,不同的冷却路径,如水冷、空冷和炉冷,可以产生不同的前驱态[19]。这些前驱态在相组成、缺陷结构、碳化物分布和晶体学继承方面存在差异。这种差异可能在MRA过程中被部分保留或重构,从而改变回复奥氏体的分布、尺寸和力学稳定性[20], [21]。然而,大多数研究侧重于最终热处理条件或退火后的微观组织[13]。前驱冷却路径、MRA响应和变形过程中有效奥氏体利用之间的连续联系仍未得到充分阐明。
先前的研究已经确立了奥氏体回复退火前的微观组织会影响中Mn钢中的后续奥氏体形成。Hu[19]通过亚临界预退火引入前驱态,并表明碳化物的演化和C、Mn的重分布加速了后续奥氏体回复。Zhao[22]比较了亚临界退火后的空冷和水冷,并将冷却路径与后续回火过程中奥氏体稳定性、碳化物析出和塑性失稳联系起来。Ding[23]通过中断淬火改变已有奥氏体的含量,并证明其对回复动力学和加工硬化的影响。这些研究将预退火、亚临界后冷却或中断淬火视为独立的工艺变量。然而,在相同的MRA制度之前使用不同冷却路径构建前驱态的后果尚未得到系统建立。所产生的前驱组织是被继承还是被重构,以及这种区别如何影响拉伸变形过程中保留奥氏体的转变分数,仍不清楚。
为弥补这一空白,我们从Fe-0.2C-8Mn-3Al-3.5Ni-1Cu-0.08Mo-0.08Ti-0.10V(wt.%)钢中制备了两种前驱态。试样在800 °C保温10分钟后分别水冷或空冷,以获得WQ-P和AC-P。两种前驱态均接受相同的MRA制度。比较两种路径中碳化物的尺寸、空间分布和界面位置,以评估其与后续微观组织演化的关系。这种对照比较揭示了WQ-MRA中的板条继承和AC-MRA中的分散重构。这两种演化路径进一步与拉伸变形过程中保留奥氏体的转变分数和加工硬化响应联系起来。主要贡献是前驱设计、碳化物相关界面与加载过程中保留奥氏体转变分数之间的直接联系。结果表明,初始保留奥氏体分数本身并不能解释强塑性匹配。

章节摘录

化学成分和热处理工艺

含Cu实验钢和无Cu对照钢的名义成分分别为Fe-0.2C-8Mn-3Al-3.5Ni-xCu-0.08Mo-0.08Ti-0.10V(wt.%),其中x分别为1和0。两种成分的Thermo-Calc计算均使用TCFE8数据库在相同计算条件下进行。含Cu成分的计算用于指导前驱处理温度的选择。预测的平衡相分数如图1(a)所示。比较

微观组织和相变

图2以低倍和高倍对比了四种样品状态。WQ-P表现出定向板条形貌(图2(a))。放大图像显示局部连续的板条和若干颗粒状粒子(图2(b))。AC-P表现出较弱的形貌方向性(图2(e)),基体中可见颗粒状粒子(图2(f))。两种前驱态中代表性粒子的点EDS谱均包含Ti和V信号(图S1)。MRA后,两条路径仍然

继承与重构

由于MRA是非平衡过程,图1(a)中的平衡相分数未用于估计处理后的相分数。相的演化基于实验XRD、EBSD和TEM结果进行讨论。尽管WQ-MRA和AC-MRA在MRA后均含有较高的FCC分数,但它们的拉伸响应存在显著差异。EBSD相图显示索引FCC分数分别为43.5%和41.3%。这些值低于相应的XRD估计值58.6%和

结论

本研究考察了前驱冷却路径对异质中Mn钢的MRA响应、微观组织演化和力学性能的影响。构建了水冷和空冷前驱微观组织以阐明前驱态在后续退火和变形中的作用。主要结论如下:
  • (1)
    前驱冷却路径规定了MRA过程中两种不同的微观组织响应。水冷保留了以板条为主导的前驱

CRediT作者贡献声明

Bo Wang(王博):经费获取。Huilan Sun(孙慧兰):可视化。Lan Wei(魏岚):可视化。Lanjie Li(李兰杰):可视化。Shufeng Yang(杨树峰):经费获取。Kai Ma(马凯):数据整理。Di Zhang(张迪):数据整理

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文所述工作的情况。

数据可用性

数据可按请求提供。

利益冲突声明

? 作者声明不存在已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文所述工作的情况。

致谢

本研究由国家自然科学基金(52274332)、河北省自然科学基金(E2025208103、E2024208022)、河北省重大科技支撑计划(252G1003D)和河北省科技计划(254Z1601G)资助。
张迪|马凯|魏岚|孙慧兰|杨树峰|李兰杰|王博
河北科技大学材料科学与工程学院,河北省材料近净成形技术重点实验室,河北 050000,中国
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