《Journal of Materials Science & Technology》：Hardness convergence enables ductilization of flash-heated high-carbon martensitic steel via two-stage tempering
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•两阶段回火使2.2 GPa闪速加热马氏体钢获得强韧性。•碳再分布和碳化物演化驱动局部硬度收敛。•高硬度纳米压痕占比从19%降至3.5%。•硬度收敛缓解应变非均匀性并改善变形协调性。•总伸长率提高48%，同时保持超高强度。引言高碳低合金钢广泛用于关键结构部件，包括高强度钢丝、
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两阶段回火使2.2 GPa闪速加热马氏体钢获得强韧性。
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碳再分布和碳化物演化驱动局部硬度收敛。
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高硬度纳米压痕占比从19%降至3.5%。
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硬度收敛缓解应变非均匀性并改善变形协调性。
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总伸长率提高48%，同时保持超高强度。
引言
高碳低合金钢广泛用于关键结构部件，包括高强度钢丝、重型悬架弹簧和机械传动零件[[1], [2], [3]]。在汽车和航空航天领域的轻量化设计和安全需求驱动下，这些钢材越来越多地被要求兼顾超过2.0 GPa的屈服强度和可靠的拉伸韧性[[4], [5], [6]]。淬火后回火仍然是获得此类高强度马氏体结构的主要途径[7]。快速热处理，特别是闪速奥氏体化和回火，因其在提高处理效率的同时保留细马氏体骨架和高缺陷密度而受到越来越多的工业关注[8,9]。然而，在不牺牲强度的前提下进一步提升韧性仍然是闪速加热高碳马氏体钢面临的核心挑战[10]。
这一挑战与闪速加热过程中产生的非平衡微观组织状态密切相关。常规的高温或长时间回火可以通过加速碳扩散和碳化物演化来提高韧性，但往往以位错回复、晶界粗化和强度损失为代价[11]。相比之下，闪速加热利用短奥氏体化时间保留细马氏体骨架和高缺陷密度。然而，这种动力学限制也可能限制渗碳体溶解和长程碳扩散，使淬火前残留碳富集区和碳贫化区[12,13]。这种局部化学波动可以被马氏体基体继承，并在相邻马氏体块之间产生微观尺度上的硬度和变形抗力差异。在拉伸变形过程中，这些块间变形抗力差异可以促进应变偏聚和应力集中，从而加速应变局部化并限制韧性[[14], [15], [16]]。因此，关键问题在于闪速加热动力学约束下残留的非平衡碳分布所导致的力学不相容性。
为克服闪速加热的局限性，低温二次回火可能为短程碳再分布和碳化物演化提供一个额外的动力学窗口，同时抑制大范围位错湮灭和组织粗化[[17], [18], [19], [20], [21], [22]]。因此，在闪速淬火-回火之后引入一个低温二次回火步骤，即淬火-回火-回火（QTT）工艺，有望缓解从非平衡闪速处理中继承的力学非均匀性。核心假设是二次回火并非简单地软化马氏体，而是促进局部硬度收敛，从而降低从非平衡碳分布中继承的硬/软力学不相容性[23]。该策略有望在不引起马氏体整体软化、不牺牲超高强度的前提下，改善变形协调性和拉伸韧性。
本研究系统地考察了经历QTT工艺处理的闪速加热高碳低合金马氏体钢的微观组织演化、碳化物转变、局部力学响应和拉伸变形行为。结合扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）、透射电子显微镜（TEM）、同步辐射X射线衍射（SXRD）、纳米压痕、高分辨率微数字图像相关（μ-DIC）和X射线计算机断层扫描（X-ray CT），建立了碳/碳化物演化、硬度收敛、应变偏聚和拉伸变形行为之间的关系。目标是阐明二次回火如何促进局部硬度收敛并缓解微观尺度上的力学不相容性，从而在不引起闪速加热高碳马氏体钢全局马氏体软化和牺牲超高强度的前提下提高变形协调性和韧性。
各节摘要
材料与热处理
实验用高碳低合金钢是由浦项制铁公司（POSCO）提供的商用热轧线材，直径为7 mm，名义成分为Fe-0.65C-1.41Si-0.70Cr-0.71Mn-0.10V（wt.%）。热处理前，将热轧钢冷拉至直径4 mm。冷拉微观组织主要为珠光体。采用热膨胀分析仪（TA Instruments, DIL 805）在80°C/s的加热速率下进行膨胀法测量，以
结果
不同热处理条件下钢材的工程应力-应变曲线如图2(a)所示。QT钢表现出超高强度但韧性有限，屈服强度（YS）约为2067 MPa，抗拉强度（UTS）约为2254 MPa，均匀伸长率（UE）约为3.5%，总伸长率（TE）约为7.5%。为评估回火敏感性，在闪速奥氏体化和淬火后另取一个样品在445°C回火，此后称为QT-445。其
微观组织演化与局部碳再分布
冷拉钢的组织主要为珠光体，经SEM观察确认（图4(a)）。在80°C/s闪速加热过程中，缩短的奥氏体化时间限制了渗碳体溶解并抑制了长程碳扩散[13,28]。在这种非平衡加热条件下，间隙碳再分布在动力学上受到限制，导致奥氏体中残留局部碳梯度[12]。经水淬后，这些局部碳波动被马氏体继承
结论
本研究展示了一种两阶段回火策略，将闪速淬火-回火与二次回火相结合，以提高超高强度高碳低合金马氏体钢的韧性，同时保持其2.2 GPa级抗拉强度。二次回火在不损失强度的前提下提高了韧性。QT钢表现出超高强度（YS约为2067 MPa，UTS约为2254 MPa）但韧性有限（UE约为3.5%，TE约为7.5%，RoA约为26.6%）。在200°C二次回火20分钟后，
数据可用性
复现本研究结果所需的原始数据和加工数据可向本论文的通讯作者索取。
CRediT作者贡献声明
叶海晓： 写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，调查研究，形式化分析，数据管理，概念构思。李列军： 项目管理，方法学，资金获取。邢现强： 验证，资源获取，方法学，调查研究。欧阳建平： 方法学，调查研究，形式化分析。高际祥： 验证，方法学，调查研究。黄承鹏： 监督指导，项目管理，调查研究，概念构思。彭正武： 写作——
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论文所报告的工作。
致谢
彭正武感谢广西科技项目（编号：XT2503960030、XT2503960047、2024AB08231和2023AB37002）的支持。黄承鹏感谢中国国家自然科学基金（编号：52501172）的支持。感谢上海同步辐射光源支持BL02U2光束线的同步辐射X射线衍射实验。作者还感谢广州硅酸盐研究院有限公司（SIMR）
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