Fe-C-Ni-Mo(-Si)可持续先进高强钢相变行为的膨胀法研究及其动力学模型构建

《Materials & Design》：A dilatometric study of phase transformation for a Fe–C–Ni–Mo(?Si) sustainable advanced high strength steel

本文推荐研究人员针对第三代先进高强钢(AHSS-Gen3)合金元素可持续回收需求，创新性地采用镍替代锰设计Fe-C-Ni-Mo(-Si)系列钢种。通过系统膨胀法分析结合微观组织表征，揭示了硅元素对珠光体形成的抑制作用及奥氏体化温度对贝氏体形态的调控规律，并开发出平均相对误差仅5.95%的奥氏体分数预测模型及专用GUI工具"CritAust"，为可持续AHSS热处理工艺设计提供重要理论依据。

　　

在汽车轻量化与碳中和的双重驱动下，第三代先进高强钢（AHSS-Gen3）的研发正面临可持续性挑战。传统锰合金化钢在废钢回收过程中存在锰元素回收率低（仅7%）的瓶颈，而镍元素回收率高达95%，这促使研究人员重新审视镍在可持续钢种设计中的价值。为此，阿塞洛-米塔尔公司开发了新型Fe-C-Ni-Mo(-Si)系列钢种，通过镍替代锰的策略实现合金元素的高效循环利用。

为解决新钢种的相变行为不明确问题，大连交通大学郝梅团队在《Materials》发表论文，采用高精度TA-DIL805L膨胀仪开展系统研究。研究人员设计了两组实验钢：含硅钢A717（Fe-0.19C-0.99Si-1.77Ni-0.23Mo）和无硅钢A718（Fe-0.19C-1.99Ni-0.23Mo），通过连续加热、连续冷却和等温处理三种热循环方案，结合金相观察和扫描电镜分析，揭示了奥氏体化温度（840°C/950°C）、冷却速率（10-40°C/s）和硅元素对相变行为的耦合影响规律。

关键技术方法包括：采用膨胀法测定临界温度Ac₁/Ac₃；通过线性热膨胀系数（LTEC）曲线高斯峰分离技术解析重叠相变峰；基于Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov（JMAK）模型建立连续加热与等温动力学整合计算方法；利用光学显微镜和扫描电镜进行微观组织验证。

研究结果与讨论：

3.1 临界相变温度Ac₁和Ac₃的测定

在2°C/s加热速率下，测得A717的Ac₁/Ac₃为722°C/863°C，A718为703°C/840°C。硅元素使临界温度升高约20°C，加热速率对Ac₃影响尤为显著。通过人工神经网络模型计算值与实验值吻合良好，验证了测量结果的可靠性。

3.2 连续冷却相变：LTEC分析与组织验证

峰值分离分析表明，硅元素显著改变相变路径：A717中硅抑制碳化物析出，促进粒状贝氏体形成；A718则出现铁素体-珠粒体-贝氏体重叠转变区。高温奥氏体化（950°C）通过粗化晶粒延迟相变开始，促进板条贝氏体形成；低温奥氏体化（840°C）则有利于铁素体和粒状贝氏体生成。

3.3 奥氏体化温度、冷却速率和硅对相变的影响

构建的CCT曲线显示，含硅钢A717的珠粒体区明显抑制，贝氏体-马氏体分离清晰；无硅钢A718存在明显的珠粒体转变区。高温奥氏体化拓宽贝氏体转变温度区间，其中A717以板条贝氏体为主，A718则呈现粒状/板条贝氏体混合组织。

3.4 临界区等温与连续加热奥氏体化

创新性提出整合连续加热与等温动力学的计算方法，建立奥氏体分数预测模型。该模型通过线性关系近似最大奥氏体含量，采用JMAK方程描述相变动力学，经实验验证平均相对误差仅为5.95%。基于此开发的"CritAust"GUI工具实现了奥氏体含量的精准预测。

研究结论表明，镍代锰的可持续AHSS钢种具有独特的相变特性：硅元素通过抑制碳化物析出来改变相变路径，奥氏体化温度通过晶粒尺寸效应调控组织形态，冷却速率决定最终相组成。所建立的相变动力学模型为热处理工艺设计提供可靠工具，推动可持续AHSS的产业化应用。这项研究不仅阐明镍合金化钢的相变规律，更为绿色钢铁材料开发提供新范式，助力汽车工业实现循环经济目标。