閃速加熱實現中錳鋼超強高韌！
2021-03-28 來源：Goal Science
先進高強鋼作為結構承重材料，被廣泛且大量地應用于汽車領域。為了實現汽車輕量化，高強鋼的綜合力學性能需要不斷提高。殘余奧氏體是高強鋼微觀組織中的重要組成部分，在變形過程中能通過相變誘導塑性（TRIP）或/和孿晶誘導塑性（TWIP）實現強度和塑性的良好匹配。在中錳鋼中，殘余奧氏體一般通過奧氏體逆轉變（ART）工藝獲得，此過程中C和Mn等奧氏體穩定性元素從鐵素體/馬氏體擴散到逆轉變奧氏體中，提高其熱穩定性，使其穩定到室溫成為殘余奧氏體。由于Mn元素的擴散速度慢，ART工藝一般需要較長的退火時間，這將會造成效率低、生產成本高等問題。而且，長時間的保溫處理會粗化組織，降低材料的屈服強度。冷軋組織在長時間的ART過程中會發生強烈的再結晶，引起呂德斯帶等問題。
近年來，閃速加熱技術（加熱速率≥100℃/s）被應用于中錳鋼。研究人員利用閃速加熱過程中相變熱動力學的不匹配和合金元素的不平衡配分等特點對微觀組織進行設計，進而優化力學性能。然而，目前對于中錳鋼閃速加熱的研究中，依然需要在閃速加熱前/后進行長時間的Mn元素配分以穩定奧氏體。
近日，清華大學材料學院陳浩副教授團隊利用閃速加熱過程中奧氏體的“爆發式”形核以及C元素在高溫下超快速配分等特點，在冷軋中錳鋼中提出了快速獲取大量殘余奧氏體的高效熱處理工藝（Flash annealing, FA）。由于快速加熱對再結晶的抑制作用，熱處理后的鐵素體基體為再結晶/未再結晶的異質結構，顯著地提高了材料的屈服強度。和傳統ART工藝處理的樣品相比，FA工藝在實現高效率的同時，提高了材料的屈服和抗拉強度，且基本保證了均勻延伸率的“零損失”。該研究成果以“Flash annealing yields a strong and ductile medium Mn steel with heterogeneous microstructure”發表在期刊Scripta Materialia。
圖1（a）為ART和FA的工藝路線圖。冷軋之后，FA工藝只需要快速加熱到Flash溫度后直接冷卻到室溫即可，而ART工藝則需要長時間的保溫。兩種工藝處理后，ART樣品中有~23.0%的殘余奧氏體；而FA樣品中的殘余奧氏體含量達到了~29.6%，且奧氏體晶粒更細小、表觀數密度更高，這充分體現了閃速加熱的優勢。FA樣品中的鐵素體基體為再結晶/未再結晶的異質結構，如圖1（c3, c4）所示。
圖1 （a）ART和FA工藝路線圖；（b1, b2）ART樣品的微觀組織表征；（c1-c4）FA樣品的微觀組織表征。（c3）為未再結晶鐵素體晶粒圖，插圖為晶粒尺寸分布圖；（c4）為再結晶鐵素體晶粒圖，插圖為晶粒尺寸分布圖。
傳統ART樣品中的殘余奧氏體中存在明顯的C、Mn元素富集，而FA樣品中的奧氏體只有C元素的富集，Mn元素在鐵素體和奧氏體之間沒有明顯的配分行為，如圖2所示。因此，在FA樣品中，奧氏體穩定性的提高主要依靠C元素的富集和晶粒細化。通過XRD對奧氏體晶格常數進行測定，并利用奧氏體晶格常數與成分的關系，估算出FA樣品和ART樣品中奧氏體的C濃度分別為0.59 wt.%和0.70 wt.%。從以上結果可以看出，相比于ART樣品，FA樣品中的殘余奧氏體含量更高，奧氏體中的C、Mn濃度更低。
和ART樣品相比，FA樣品的力學性能得到了明顯改善，在保證均勻延伸率基本不變的情況下，大幅度提高了材料的屈服和抗拉強度。屈服強度的提高可能是由于異質鐵素體基體產生的異質變形誘導應力的貢獻，而殘余奧氏體在變形過程中持久且徹底地轉變，在高的應力水平下提供了足夠的加工硬化率，大幅度提高了材料的抗拉強度，同時實現了材料均勻延伸率的“零損失”。
圖3 ART和FA樣品的力學性能
（a）工程應力-應變曲線；（b）加載-卸載-再加載曲線；（c）異質變形誘導應力（HDI）隨真應變的演變；（d）變形過程中奧氏體的轉變行為；（e）加工硬化率。
本研究表明，閃速加熱技術可以在中錳鋼中實現高效熱處理，提高生產效率、降低生產成本；同時，可以實現對微觀組織的調控與設計，進一步優化中錳鋼的力學行為。未來隨著加熱技術和加熱裝備的不斷發展，閃速加熱技術必將在工業界大放光彩！
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.113819
