微观组织设计新理念：大幅提高中锰钢强韧性组合的研究

引言：本文提出了一种新的微观组织设计概念，包括温轧和低温退火，以显著提高中锰钢的强度和韧性组合。第一微带和第二变形孪生诱导独特的相变，塑性显著提高，未再结晶奥氏体晶粒内合理的位错密度大大提高屈服强度。通过模型的构建讨论了固溶强化、晶界强化、V 沉淀强化和位错强化。确定了强化对屈服强度的个体贡献，其中缠结位错起主导作用。屈服强度（1239MPa）、极限抗拉强度（1341MPa）、总伸长率（41.8%）和强度-伸长积（56.1 GPa·%），与报道的中锰钢相当并优于报道的中锰钢。

中锰钢（5-12 wt.% Mn）由于其优异的强度和延展性而被视为第三代先进高强度钢（AHSS）的潜在候选材料。中锰钢可以获得有吸引力的强度和伸长率积（PSE，通常高达 30-70 GPa%）。Sun 等人研究了 10.12Mn-0.31C-3.81Al-0.56Si 钢，由于变形过程中相变诱导塑性（TRIP）效应和孪生诱导塑性（TWIP）的激活，YS=620MPa、UTS=1048MPa 和 TE=63% 达到很好的平衡。然而，锰钢的屈服强度相对较低（550-850MPa），这可归因于铁素体和奥氏体等软相。由于添加了奥氏体稳定化元素，单纯的淬火难以获得硬质马氏体以提高Q&P钢的屈服强度。胡等发现，添加0.7wt.%V有助于形成致密的纳米级V碳化物。该材料增强了抵抗位错滑移的能力，进而提高了屈服强度。范等报道了一种基于物理理论和机制的梯度微观组织数值模型，将屈服强度水平从300MPa提高到1000MPa。

但复杂工艺或高合金添加量显著增加制造成本和难度，且当晶粒尺寸减小时TRIP/TWIP效应受到限制。位错强化是提高工程合金性能的另一种途径，有研究指出，高位错密度墙与平面滑移配置形成的细小位错结构可显著提高强度，但过高的位错密度会使奥氏体晶粒过度稳定化，甚至抑制TRIP和TWIP效应，导致延展性下降。如何在超高屈服强度水平下获得更好的延展性，即克服常规制造工艺中强度-延展性权衡，成为一个问题。

因此，东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室徐云波教授团队进行了深入探索，提出了一种温轧+低温退火的新策略，获得了具有细微带和位错纠缠的未再结晶奥氏体不锈钢，以达到屈服强度1239MPa、抗拉强度1341MPa、伸长率41.8的最佳组合。并强调了微带在多级TRIP效应中的关键作用，特别关注了位错强化机制。相关研究成果以“通过调整奥氏体特性和变形机制在中锰钢中提高屈服强度和伸长率组合”为题发表在材料学顶级期刊Scripta Materialia上。

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图1(a)为现有钢种的工程应力-应变曲线，WR600具有优异的力学性能，UTS为1341 MPa，YS为1239 MPa，TE为41.8%，PSE为56.1 GPa·%，表现出扩展的屈服平台。WR725试样的YS为585 MPa，UTS为975 MPa，TE为48.2%。CR600具有1617 MPa的高强度，但伸长率为6.6%。图1(b)为加工硬化速率(WH)曲线和奥氏体分数的变化。在拉伸变形过程中，CR600的奥氏体分数从31.3%降低到30.1%，表明几乎没有奥氏体晶粒转变为马氏体。随着应变的增加，WR600和WR725的奥氏体分数和加工硬化率都在2000MPa左右波动，没有明显下降。它们可以分为两个阶段，在第一阶段（0-0.09应变），WR600的奥氏体分数从80.3%下降到69.7%，WH呈现锯齿行为，尤其是在变形初始阶段，表明在屈服平台处发生了明显的TRIP转变。而WR725的WH在0.26应变时呈现稳定而缓慢的单调下降，只有9.3%的奥氏体转变，表明在此阶段TRIP效应并不活跃。WR600和WR725的WH曲线在第二阶段均呈现明显的锯齿状。图1（c）总结了文献报道的AHSS总伸长率与屈服强度与现行钢（标有红色星号）的比较。中锰TRIP钢 伸长率高，但屈服强度相对较低。TWIP/TRIP钢和马氏体钢的屈服强度高，伸长率小于20%。虽然WR600具有不连续屈服和吕德斯应变，但WR600的超高屈服强度和增强的延展性使其在YS-TE图中占据突出位置。

图1. (a)钢的工程应变-应力曲线；(b)加工硬化率和奥氏体分数随真实应变的变化；(c)现行TWIP/TRIP中锰钢与参考文献中的AHSS之间的TE-YS数据对比。

图2. (a)CR600、(b)WR600、(c)WR725的SEM像；(d)CR600中奥氏体的KAM图；(e)CR600中奥氏体的反向极化图(IPF)图；(f)WR600中奥氏体的KAM图；(g)WR600中奥氏体的IPF图；CR600和WR600的EBSD分析(FCC)置信指数分别为0.80和1.06。h)钒析出相的平衡相图及层错能计算结果；(i)CR600奥氏体晶粒内的位错单元结构；(j)微带和位错；(k)钒析出相的TEM像及EDS分析结果。

图 3. WR600 样品在不同真实应变下的明场和暗场分析：(a) 和 (b) 0.09；(c) 和 (d) 0.24；(e) 和 (f) 0.34；(g) 0. 样品的 TEM 分析；(h) 0.09；(i) 0.26；(j) 断裂。

图 4. 多种强化机制对屈服强度的各自贡献。（a）改进的 Williamson-Hall 散点图；（b）样品的计算和实验屈服强度。

综上所述,本文提出了一种新的温轧+低温退火工艺策略来调整奥氏体特征,保证TWIP/TRIP中锰钢优异的力学性能。通过对SFE的控制,WR试样获得了较高的SFE。未再结晶奥氏体晶粒中的微带和变形孪生引发了独特的两阶段TRIP变形机制,首先是微带效应引发的正TRIP,其次是TWIP辅助下的TRIP效应,该效应对WR试样的延展性起到了重要作用。同时,本构计算和实验结果表明,WR600中合理的位错密度不仅对超高屈服强度贡献显著,而且促进了多阶段TRIP效应的发生。与CR试样相比，WR试样获得了优异的强度-延性平衡：YS、UTS、TE和PSE值分别为1239MPa、1341MPa、41.8%和56.1GPa·%，其中YS占有突出地位。