導(dǎo)讀：中錳鋼（MMS）被認(rèn)為是最有前途的第三代先進(jìn)高強度鋼。然而，由于錳含量相對較高、屈服強度較低以及出現(xiàn)呂德斯帶紋等因素，中錳鋼的實際生產(chǎn)和應(yīng)用一直受到限制。在這篇論文中，閃速加熱與化學(xué)異質(zhì)性概念相結(jié)合，設(shè)計出了一種錳含量較低（Fe-0.18C-4.95Mn-0.4Si (wt.%)）的 MMS 變體，將材料的屈服強度提高了近一倍，并成功地減輕了 Lüders 帶狀現(xiàn)象的存在。有趣的是，研究發(fā)現(xiàn)錳的異質(zhì)性不僅能直接穩(wěn)定奧氏體，還能通過促進(jìn)碳從貧錳奧氏體向富錳奧氏體的分配來促進(jìn)奧氏體的穩(wěn)定。事實證明，加熱速率是控制化學(xué)異質(zhì)性、奧氏體穩(wěn)定性和機械性能的關(guān)鍵參數(shù)。該方法對其他先進(jìn)的高強度鋼具有潛在的應(yīng)用價值。

中錳鋼（MMS）被視為先進(jìn)高強度鋼（AHSS）中最有前途的候選材料之一。傳統(tǒng)上，中錳鋼通過所謂的奧氏體反轉(zhuǎn)處理（ART）進(jìn)行加工，從而形成由鐵素體和易變奧氏體組成的超細(xì)晶粒微觀結(jié)構(gòu)。通過可變質(zhì)奧氏體的轉(zhuǎn)變誘導(dǎo)塑性（TRIP）和/或?qū)\晶誘導(dǎo)塑性（TWIP）的影響，可大大提高 MMS 的加工硬化能力。然而，ART 過程中基體的明顯軟化給傳統(tǒng) MMS 實現(xiàn)高屈服強度帶來了挑戰(zhàn)。此外，在 MMS 中還經(jīng)常出現(xiàn)呂德斯帶，對表面質(zhì)量和耐氫性造成不利影響。這些局限性極大地限制了 MMS 的廣泛應(yīng)用。

近年來，創(chuàng)造化學(xué)異質(zhì)性已成為調(diào)整 MMS 中微觀結(jié)構(gòu)和奧氏體穩(wěn)定性的一種手段。在對可轉(zhuǎn)移奧氏體和高強度馬氏體基體的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行工程設(shè)計的概念中，最初的步驟包括創(chuàng)建化學(xué)異質(zhì)的預(yù)微觀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由奧氏體穩(wěn)定劑（如錳）的富集相和貧化相組成。奧氏體化后，奧氏體晶粒會完全或部分繼承這種錳的異質(zhì)性。這反過來又導(dǎo)致了冷卻過程中馬氏體轉(zhuǎn)變行為的不均勻性，為設(shè)計新型微結(jié)構(gòu)提供了機會。錳富集相可能是雪明碳化物或回復(fù)奧氏體。就還原奧氏體而言，錳的異質(zhì)性是通過使用 ART 和閃熱引入的。通過這種方法，天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院丁然等人在錳含量為 8 wt.% 的 MMS 中引入了化學(xué)邊界工程 (CBE) 的概念，這代表了化學(xué)異質(zhì)性的極端情況。這種化學(xué)邊界可在隨后的冷卻過程中阻止馬氏體板條的擴展。在這一工藝中，通常采用塊狀錳含量較高（>5 wt.%）的 MMS，以獲得足夠富集錳的還原奧氏體。然而，使用高錳含量的 MMS 會帶來一定的制造挑戰(zhàn)，例如錳偏析帶以及軋制和焊接困難。因此，檢查化學(xué)邊界/均質(zhì)性概念是否可應(yīng)用于錳含量為 3-5 wt.%的 MMS 具有根本性和實用性意義。然而，降低 MMS 的錳含量會引發(fā)幾個關(guān)鍵問題。首先，錳含量降低會導(dǎo)致還原奧氏體的比例和錳濃度降低；其次，錳含量降低會導(dǎo)致奧氏體化溫度升高，從而難以控制化學(xué)邊界的銳利程度，甚至難以在奧氏體化過程中保持化學(xué)異質(zhì)性。最后，基體中較低的錳含量會增加淬火過程中鐵素體形成的可能性，從而使淬火后的奧氏體分解和元素分配變得更加復(fù)雜。這也會對機械性能產(chǎn)生不利影響。

本研究旨在探索通過結(jié)合化學(xué)異質(zhì)性概念和閃速加熱，促進(jìn)含錳 4.95 重量百分比的 MMS 的強度和延展性協(xié)同作用的可能性。在這項工作中，天津大學(xué)丁然教授團(tuán)隊重點研究了減少錳的體積含量以及加工參數(shù)（尤其是加熱速度）對化學(xué)異質(zhì)性、相變、微觀結(jié)構(gòu)和機械性能的影響。相關(guān)研究成果以“Flash annealing of a chemically heterogeneous medium Mn steel”發(fā)表在Scripta Materialia上。

鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359646223006449

圖 1. (a) 本研究中采用的 ART 和 FA 工藝的退火路線示意圖；

(b) 顯示 ART 試樣多相微觀結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖像，由 α-鐵素體、γ-奧氏體和 θ-冰晶石組成；(c) ART 試樣的三維 APT 重建：(c1) Mn、C、Fe 和 Si 的元素分布圖；c2) Mn 和C 沿圖 1c1 中箭頭的一維剖面圖。PB 為相邊界。

圖2所示。FA10 (a - d)和FA100 (e - h)的EBSD圖像:(a, e)圖像質(zhì)量(IQ)圖，

其中紅色代表奧氏體相，綠色代表鐵素體/馬氏體相;(b, f)逆極圖(IPF)先驗奧氏體重建;先前奧氏體的晶界圖與(c, g)奧氏體晶粒和(d, h)鐵素體晶粒重疊。

圖 3. (a) FA100 試樣的 3D-APT 結(jié)果：(a1) Mn、C、Fe 和 Si 的元素分布圖；(a2) 沿圖3a1 中箭頭提取的一維元素剖面圖；(b) FA10 試樣的TEM-EDS 表征：

(b1) FA10 試樣的 TEM 圖像；(b2) 沿圖 3b1 中箭頭的 Mn 強度剖面圖；

(c) 顯示 FA100、FA10 和 H1 試樣中馬氏體轉(zhuǎn)變的稀釋曲線，其中 Ms 指馬氏體開始溫度；(d) C 分布在 FA100、FA10 和 H1 試樣中的變化。3b1；（c）顯示 FA100、FA10 和 H1 試樣中馬氏體轉(zhuǎn)變的擴張曲線，其中 Ms 指馬氏體開始溫度；（d）DICTRA模擬的 FA100 連續(xù)冷卻過程中 C 分布的演變。

表 1. ART、FA100 和 FA10 試樣中奧氏體的信息匯總。

圖 4：（a）FA和 ART 試樣的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（b）FA 鋼與其他 MMS 和 Q&P 鋼（錳含量低于 5.5 wt.%）的機械性能（屈服強度 vs 均勻伸長率）比較；（c）隨著應(yīng)變的增加，一系列原位 EBSD IQ 圖與 FA100 的RD-TD 平面上的相圖疊加。

本研究成果如下：

（1）閃速退火和化學(xué)異構(gòu)的應(yīng)用已被證明成功地制造出了錳含量較低但具有超強韌性的 MMS。

（2）與傳統(tǒng) ART 加工的具有軟鐵素體基體的 MMS 不同，新設(shè)計的 MMS具有強馬氏體基體，可有效消除呂德斯帶狀現(xiàn)象，并大幅提高屈服強度。

（3）錳的異質(zhì)性不僅能直接促進(jìn)奧氏體的穩(wěn)定，還能通過引入碳分配來穩(wěn)定奧氏體。加熱速率在控制化學(xué)異質(zhì)性、奧氏體穩(wěn)定性和機械性能方面起著至關(guān)重要的作用。