導讀：高強度低合金鋼（鐵素體HSLA 鋼）具有優異的機械性能和可成形性，其微觀結構為單一鐵素體，并含有精細分散的納米沉淀物，因此在汽車行業備受關注。然而，為了最大限度地利用沉淀硬化效應，這些鋼材必須添加大量的碳化物形成元素，這不可避免地縮小了工藝窗口并增加了成本。帶鋼鑄造具有簡化工藝鏈和高能效的特點，已成為開發鐵素體HSLA 鋼的一種有前途的技術。本文利用帶鋼鑄造的工藝特點，報告了通過將卷取溫度提高到650 ℃，在低鈮微合金鐵素體HSLA 中設計出一種新型的單鐵素體微觀結構，這種結構具有以相間沉淀和隨機方式分布的多原子層狀晶簇。多原子層狀簇在調整位錯行為、促進局部雙交叉滑移、促進位錯倍增和均勻分布方面發揮了關鍵作用。這些機制共同維持了較高應變下的輕度加工硬化，從而實現了強度和延展性的綜合提升。與在480 ℃下卷繞的無簇貝氏體對應材料相比，結果表明其機械性能有了顯著提高，極限強度提高了（從630 兆帕提高到670 兆帕），塑性提高了90%（從10.3% 提高到19.1%）。

高強度低合金鋼（HSLA）具有優異的機械性能和成本效益，已成為汽車行業的關鍵材料。與傳統 HSLA 鋼不同，鐵素體 HSLA 鋼沒有沿相界的明顯應力集中，其特點是具有單一的軟鐵素體基體和細小分散的納米析出物，具有值得稱道的強度和延展性組合，以及出色的拉伸-法蘭性能（例如，相間析出物強化的 "NANOHITEN "鋼），因此備受關注。然而，要在傳統加工的 HSLA 鋼中達到最佳的沉淀強化效果，必須加入高濃度（數千 ppms）的碳化物形成元素，如 Nb、V 和 Mo，這反過來又會延緩γ→α 相變的動力學過程，阻礙形成單一的鐵素體基體，從而影響其成型性。此外，在不同階段生成精細分散的納米沉淀物所需的復雜熱機械加工程序（包括多道熱軋和再加熱工藝）也會提高生產成本和二氧化碳排放量。

要破解這些復雜性并在帶澆鐵素體 HSLA 中更有效地利用晶簇強化機制，就必須通過動態觀察提供直接證據，闡明晶簇與位錯等變形載體之間的相互作用。在本研究中，通過精心定制的卷繞條件，我們成功地將多原子層狀晶簇引入到帶狀鑄造的 0.05 wt.% Nb 微合金 Q550 HSLAs（命名為 Q550Nb）中。與原型試樣相比，使用多原子層狀簇強化的試樣不僅在強度方面，而且在延展性方面都有顯著提高。APT 和 HR-STEM 等先進技術被用來分析多原子層狀簇的構造。在透射電子顯微鏡（TEM）內進行的原位應變測試可實時觀察位錯與簇的相互作用。這些觀察結果捕捉到了多原子層狀簇群促成的差排釘住、局部雙交叉滑移和差排倍增等現象。這種動態相互作用有效地促進了不同原子平面間的位錯，從而大大提高了模擬卷繞 Q550Nb 帶鑄 HSLA 的延展性。這種認識有可能激發創新的成分和熱機械加工設計，以定制納米級材料結構和變形行為，從而實現高性能帶模鑄造 HSLA 鋼。

該研究由北京科技大學碳中和研究院汪水澤、高軍恒、趙海濤、毛新平等人完成。

相關研究成果以“Cluster mediated high strength and large ductility in a strip casting micro-alloyed steel”發表在Acta Materialia上

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https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645424004531?via%3Dihub

圖 1. 顯示 (a) Q550Nb 試樣和在 (b) 620 ℃ 和 (c) 650 ℃ 模擬卷繞條件下試樣的初始卷繞狀態的掃描電鏡顯微照片。在與凝固方向平行的平面上采集顯微照片。沿[100]α區軸拍攝的TEM 明視場圖像分別為卷繞狀態的Q550Nb 試樣（d）、Q550Nb-620（e）和Q550Nb-650（f）。各圖中的插圖描述了鐵素體晶粒沿[100]α 區軸線的相應電子衍射圖。

圖 2. 機械性能。(a) 原卷曲試樣、Q550Nb-620和Q550Nb-650 的應變-應力曲線。屈服強度（σy）、極限強度（σUTS）和均勻伸長率（ε）分別用正方形和菱形表示。(b)相應的加工硬化響應（dσ/dε）。值得注意的是，Q550Nb-650具有更高的加工硬化率和獨特的加工硬化行為。

圖 3. 沿 (a) Q550Nb-620 和 (b) Q550Nb-650 試樣的[100]α區軸拍攝的放大明場TEM 圖像。(c)和(d)中的高分辨率TEM（HRTEM）圖像分別對應于(a)和(b)中紅色框內的圓盤狀和圓形顆粒。插圖顯示了從各自成像區域得出的相應快速傅立葉變換(FFT) 圖樣。

圖 4 Q550Nb-650 中團簇的TEM 和HR-HAADF-STEM 圖像。(a) 鐵素體晶粒的明視場圖像。插圖是所成像晶粒沿[100]α 區軸線的相應SADP。(b)晶簇的暗場圖像。用于暗視野成像的衍射點由（a）中的黃圈標出。(c) HR-HAADF-STEM 圖像，顯示星團和相應的FFT 反射點。(d)從鈮和富含N 的胚團到NbN 納米沉淀物的演變示意圖，相應的衍射涉及不同數量的氮原子占位。

圖 5. Q550Nb-650 試樣中團簇的HAADF-STEM。(a) Q550Nb-650 的HAADF 圖像，(b) Q550Nb-650 中觀察到的顆粒的放大HAADF-STEM 圖像（a中的黃色破折號框區域），以及同一區域中(c)鐵、(d)鉻和(e) 鈮的相應EDS 圖。

圖 6. Q550Nb-650 試樣中的原子探針層析成像圖。(a) Q550Nb-650 中溶質原子分布概覽。命中圖和分布圖（補充圖3）共同表明，鐵素體基體的(002)α 極幾乎與圖的中心對齊。插圖提供了鐵素體矩陣和一個代表性星團的視覺背景。插圖強調了星團與鐵素體矩陣的(002)α 平面幾乎平行排列。(b)和(c)分別顯示了隨機分布的和相間聚成的簇群，其特征元素的等組成面為1%，近似直方圖顯示了已識別的隨機分布簇群和相間聚成簇群的平均組成變化。

圖 7. Q550Nb-650 中差排構型的TEM 觀察結果。(a) 在應變為2% 時，差排以平面滑移模式組織。(b)在應變為8% 時，一系列位錯特征變得明顯，包括位錯環（用紅色箭頭表示）、位錯偶極子（用白色箭頭突出顯示）和位錯釘點（用黃色箭頭表示）。(c)在斷裂的試樣中，差排亞結構顯示出主要由高密度差排偶極組成的偶極壁的存在。

圖 8 在原位應變Q550Nb-650 中觀察到的差排釘扎產生的差排倍增。(a) 差排被障礙物釘扎。(b)位錯阻擋相互作用產生三個明顯的位錯環（紅色虛線橢圓突出顯示）。(c)位錯環的擴展。(d)特定差排環的擴展。(e)由于差排環的擴展，差排倍增為兩個螺釘分段。(f)位錯的進一步滑動。

圖 9. 位錯雙交叉滑移是由簇的銷釘效應引起的。(a)位錯1 和位錯2（白色虛線標出）在同一路徑上滑動。(b)如白色箭頭所示，滑移的差排2 被兩個障礙物釘住。(c)在紅色橢圓虛線標出的差排環即將形成時，差排2（白色箭頭標出的中點）出現了強烈的釘住效應。(d)在差排1 和2 的滑移面上觀察到差排倍增，形成了新的差排3 和4。(e) 示意圖表明，在釘扎效應的幫助下，雙交叉滑移增強了差排倍增。

圖 10. Q550Nb-650 合金的滑移痕跡形態分析。(a)在應變為2% 的變形水平下，滑移痕跡主要沿直線排列（用白色虛線表示，并用白色箭頭強調）。(b)應變達到5 % 時，滑移痕跡顯示出直線和波浪形的組合（用黃色箭頭強調）。(c)應變進一步增加到10 % 時，波浪形滑移線的出現增多。(d)應變達到15 % 時，除了出現與獨特滑移系統相關的直線滑移痕跡（如左上角白色虛線所示）外，還觀察到波浪形滑移痕跡的增加，特別是以大量波浪形滑移線為標志（黃色方框區域）。

圖 11. (a) 使用Thermo-Calc 和TCFE12 數據庫計算的與溫度有關的平衡相分數（重量分數）。(b) NbC 和NbN 分別在奧氏體和鐵素體中的溶度積。

本研究系統地探討了富溶質簇的形成機理及其在帶澆鐵素體 HSLA 的強度和延展性提高中的積極作用。實驗結果得出以下主要結論：

(1)在帶鑄 0.05 重量%鈮合金Q550 HSLA 中，適當選擇模擬卷繞條件可在 Q550Nb-650 試樣中引入富含 Nb 和 N 的多原子層狀簇，使其有別于在Q550Nb-620 試樣中觀察到的圓盤狀單原子層狀簇。Q550Nb-650 中的這些簇呈現出隨機和相間分布的形態，化學計量學也各不相同。多原子層狀團簇與鐵氧體基體完全一致，被定性為富含鈮、鎳的 GP 型團簇，由于在卷繞過程中抑制了鈮原子的擴散，因此具有很高的熱穩定性。

(2)對 Q550Nb-650 的變形結構分析表明，在塑性變形的初始階段，平面滑移占主導地位。隨著應力和應變的增加，頻繁的差排-簇相互作用誘發并使交叉滑移成為主要機制。原位 TEM 觀察動態地闡明了機械加載下富含溶質的多原子層狀簇和差排之間的相互作用。多原子層狀簇在塑性變形過程中促進了位錯釘合、交叉滑移和局部雙交叉滑移，這有助于位錯倍增和位錯的均勻分布，延遲了局部應力峰值，導致加工硬化和延展性增強。這使得 Q550Nb-650 試樣的極限強度提高（從 630 兆帕提高到 670 兆帕），塑性顯著提高 90%（從 10.3% 提高到 19.1%）。

闡明多原子層狀團簇和位錯之間的相互關系有助于深入了解它們對力學性能的影響，從而推動采用帶狀鑄造技術設計和加工團簇強化的低成本高性能 HSLA。