闪速加热实现中锰钢超强高韧！
2021-03-28 来源：Goal Science
先进高强钢作为结构承重材料，被广泛且大量地应用于汽车领域。为了实现汽车轻量化，高强钢的综合力学性能需要不断提高。残余奥氏体是高强钢微观组织中的重要组成部分，在变形过程中能通过相变诱导塑性（TRIP）或/和孪晶诱导塑性（TWIP）实现强度和塑性的良好匹配。在中锰钢中，残余奥氏体一般通过奥氏体逆转变（ART）工艺获得，此过程中C和Mn等奥氏体稳定性元素从铁素体/马氏体扩散到逆转变奥氏体中，提高其热稳定性，使其稳定到室温成为残余奥氏体。由于Mn元素的扩散速度慢，ART工艺一般需要较长的退火时间，这将会造成效率低、生产成本高等问题。而且，长时间的保温处理会粗化组织，降低材料的屈服强度。冷轧组织在长时间的ART过程中会发生强烈的再结晶，引起吕德斯带等问题。
近年来，闪速加热技术（加热速率≥100℃/s）被应用于中锰钢。研究人员利用闪速加热过程中相变热动力学的不匹配和合金元素的不平衡配分等特点对微观组织进行设计，进而优化力学性能。然而，目前对于中锰钢闪速加热的研究中，依然需要在闪速加热前/后进行长时间的Mn元素配分以稳定奥氏体。
近日，清华大学材料学院陈浩副教授团队利用闪速加热过程中奥氏体的“爆发式”形核以及C元素在高温下超快速配分等特点，在冷轧中锰钢中提出了快速获取大量残余奥氏体的高效热处理工艺（Flash annealing, FA）。由于快速加热对再结晶的抑制作用，热处理后的铁素体基体为再结晶/未再结晶的异质结构，显著地提高了材料的屈服强度。和传统ART工艺处理的样品相比，FA工艺在实现高效率的同时，提高了材料的屈服和抗拉强度，且基本保证了均匀延伸率的“零损失”。该研究成果以“Flash annealing yields a strong and ductile medium Mn steel with heterogeneous microstructure”发表在期刊Scripta Materialia。
图1（a）为ART和FA的工艺路线图。冷轧之后，FA工艺只需要快速加热到Flash温度后直接冷却到室温即可，而ART工艺则需要长时间的保温。两种工艺处理后，ART样品中有~23.0%的残余奥氏体；而FA样品中的残余奥氏体含量达到了~29.6%，且奥氏体晶粒更细小、表观数密度更高，这充分体现了闪速加热的优势。FA样品中的铁素体基体为再结晶/未再结晶的异质结构，如图1（c3, c4）所示。
图1 （a）ART和FA工艺路线图；（b1, b2）ART样品的微观组织表征；（c1-c4）FA样品的微观组织表征。（c3）为未再结晶铁素体晶粒图，插图为晶粒尺寸分布图；（c4）为再结晶铁素体晶粒图，插图为晶粒尺寸分布图。
传统ART样品中的残余奥氏体中存在明显的C、Mn元素富集，而FA样品中的奥氏体只有C元素的富集，Mn元素在铁素体和奥氏体之间没有明显的配分行为，如图2所示。因此，在FA样品中，奥氏体稳定性的提高主要依靠C元素的富集和晶粒细化。通过XRD对奥氏体晶格常数进行测定，并利用奥氏体晶格常数与成分的关系，估算出FA样品和ART样品中奥氏体的C浓度分别为0.59 wt.%和0.70 wt.%。从以上结果可以看出，相比于ART样品，FA样品中的残余奥氏体含量更高，奥氏体中的C、Mn浓度更低。
和ART样品相比，FA样品的力学性能得到了明显改善，在保证均匀延伸率基本不变的情况下，大幅度提高了材料的屈服和抗拉强度。屈服强度的提高可能是由于异质铁素体基体产生的异质变形诱导应力的贡献，而残余奥氏体在变形过程中持久且彻底地转变，在高的应力水平下提供了足够的加工硬化率，大幅度提高了材料的抗拉强度，同时实现了材料均匀延伸率的“零损失”。
图3 ART和FA样品的力学性能
（a）工程应力-应变曲线；（b）加载-卸载-再加载曲线；（c）异质变形诱导应力（HDI）随真应变的演变；（d）变形过程中奥氏体的转变行为；（e）加工硬化率。
本研究表明，闪速加热技术可以在中锰钢中实现高效热处理，提高生产效率、降低生产成本；同时，可以实现对微观组织的调控与设计，进一步优化中锰钢的力学行为。未来随着加热技术和加热装备的不断发展，闪速加热技术必将在工业界大放光彩！
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.113819
