《Composites Communications》：Enhancing strength of martensitic steel by microstructural tailoring through warm rolling
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•温轧样品中的马氏体与母体奥氏体遵循K-S取向关系。•温轧样品中的位错密度是不经温轧样品的两倍以上。•位错强化对马氏体钢的屈服强度贡献最大。•极限抗拉强度从1385.81 MPa提高至1963.38 MPa。引言马氏体钢因其优异的强度和韧性而被广泛应用于能源、航空航天和交通运
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温轧样品中的马氏体与母体奥氏体遵循K-S取向关系。
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温轧样品中的位错密度是不经温轧样品的两倍以上。
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位错强化对马氏体钢的屈服强度贡献最大。
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极限抗拉强度从1385.81 MPa提高至1963.38 MPa。
引言
马氏体钢因其优异的强度和韧性而被广泛应用于能源、航空航天和交通运输行业[[1], [2], [3]]。由于马氏体具有分级结构和高密度位错，它为提升钢材的机械性能提供了有效的微观结构基础[4,5]。马氏体通过奥氏体的无扩散剪切转变形成，因此与母体奥氏体保持了特定的晶体学取向关系[[6], [7], [8]]。鉴于马氏体独特的微观结构特征及其对机械性能的显著影响[4,9,10]，马氏体一直是微观结构研究的主要焦点[[11], [12], [13], [14], [15]]。
马氏体表现出典型的分级结构，由区、块和板条组成。低碳马氏体的形态呈板条状，其亚结构由含有高密度位错的平行板条组构成[16,17]。板条是最小的结构单元，其取向和尺寸直接决定了马氏体的特征和尺寸[6,7]。块边界作为位错运动的有效屏障，屈服强度对马氏体块宽度表现出Hall-Petch型依赖关系[[18], [19], [20], [21], [22], [23]]。由于马氏体钢的强度和韧性与区或块尺寸密切相关——后者在板条马氏体微观结构中充当"有效"晶粒尺寸[24,25]，因此可以通过引入马氏体[26]或调整区/块尺寸[27]来有效增强机械性能。因此，板条马氏体的形貌和晶体学特征具有重要意义。
据报道，增加碳含量可以改变马氏体的位错密度和形貌[[28], [29], [30]]。然而，增加碳含量会直接损害钢的可焊性[31]。在马氏体转变前减小晶粒尺寸和控制奥氏体形貌代表了另一种有效的方法[32,33]。由于马氏体含有高密度位错，在马氏体转变前对奥氏体进行变形（即未经奥氏体分解的锻造或轧制）可用于促进奥氏体中的位错积累[9,10,34]。在随后的快速冷却过程中，变形产生的位错保留在转变后的马氏体中。这种将变形与马氏体转变相结合的处理工艺在钢的晶粒内产生高密度位错，被称为"位错工程"[1,35]。在过冷奥氏体区域内的温变形可用于在原始奥氏体晶界处调整马氏体，从而改善抗氢脆性能[36]。它还可以诱导微观结构细化，从而提高室温和低温下的机械性能[37,38]。对于沉淀硬化型PH 13-8 Mo钢，研究表明温变形可显著细化微观结构并大幅提高硬度[39]。同时，温锻钢中拓扑有序马氏体结构的形成有助于提高延展性[40]，而细小板条结构可有效阻止裂纹扩展，从而提高超细晶钢的冲击韧性[41]。此外，研究表明引入高密度可动位错可显著提高中锰钢的伸长率[1]。然而，对于经历大累计压下量的马氏体钢，温轧压下量、马氏体微观结构与机械性能之间的关系仍未得到充分理解。
本研究对13Cr11Ni2W2MoV马氏体钢在不同压下量下进行温轧处理。研究了不同温轧压下量对板条马氏体微观结构的影响。此外，分析了温轧工艺对马氏体钢机械性能的影响，并讨论了潜在的强化机制。
各节摘要
材料与实验方法
本研究使用的材料为13Cr11Ni2W2MoV钢，其化学成分列于表1中。钢板坯在1100°C下退火2小时，然后空冷至室温。随后，将其加热至1000°C，保温30分钟，空冷至700°C以开始多道次温轧，如图1所示。轧制压下量分别为20%（WR20）、50%（WR50）和75%（WR75）。轧制在马氏体开始转变温度（Ms）以上完成，之后样品被……
机械性能
图2(a)展示了所研究马氏体钢的工程应力-应变曲线，图2(b)显示了相应的真应力-应变曲线，其中圆圈标记表示拉伸测试过程中颈缩的开始位置。详细的机械性能汇总于表2中。从1000°C经30分钟保温后直接空冷的马氏体钢，其屈服强度（YS）和极限抗拉强度（UTS）分别为1036.01 MPa和1385.81 MPa。温轧后……
温轧对马氏体钢样品微观结构的影响
在奥氏体冷却至室温的过程中，当温度降至Ms时马氏体转变开始，并通过形核和长大进行。马氏体的形核位置主要是奥氏体晶粒内的位错缺陷。形核后，马氏体通过位错介导的方式逐渐长大，最终形成可观察到的马氏体板条。在马氏体生长过程中，一旦长大的板条遇到奥氏体晶界或其他马氏体……
结论
本文选取13Cr11Ni2W2MoV马氏体钢作为研究材料。通过温轧工艺制备了三种不同温轧压下量（20%、50%和75%）的马氏体钢样品。以未经温轧的马氏体钢样品作为对照组，系统研究了不同温轧压下量对板条马氏体微观结构和拉伸机械性能的影响。马氏体块之间的内在关联……
CRediT作者贡献声明
郭豪：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，可视化，方法论，调查研究，正式分析，数据整理。丁红生：监督，方法论，正式分析。张康：撰写—审阅与编辑，可视化，监督，方法论。王天翔：方法论，正式分析。田金昌：正式分析。娄赵坤：正式分析。陈瑞润：监督，方法论。
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，这些可能会影响本文所述工作的发表。
郭豪|丁红生|张康|王天翔|田金昌|娄赵坤|陈瑞润
