《Materials Science and Engineering: A》：Optimizing strength–ductility synergy in cold-rolled titanium-microalloyed steel via an integrated TMCP–annealing processing strategy
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钛微合金钢通过冷轧与再结晶退火协同调控，形成纳米级TiC析出物与部分再结晶铁素体基体的双尺度微结构，实现屈服强度>900 MPa和断裂延伸率>12%的优异强韧性匹配。
张奇凡|彭正武|李卓然|刘毅|高继祥|李磊军|陈松军|霍向东
华南理工大学金属近净成形技术国家工程研究中心，中国广州510640
摘要：
对于钛微合金钢，传统的热机械控制加工可以通过冷轧和再结晶退火来进一步增强强度和表面质量。然而，强度-延展性的平衡受到再结晶比例的限制，因为较大的再结晶程度虽然可以提高延展性，但不可避免地会导致强度大幅下降。在本研究中，通过控制卷取过程中的TiC析出和退火过程中的部分铁素体再结晶来克服这一限制。由此形成的双尺度微观结构（即纳米级TiC析出体分布在部分再结晶的铁素体基体中）实现了超过900 MPa的屈服强度和超过12%的断裂伸长率。部分再结晶通过调节软硬相的比例和改变位错密度来调控强度-延展性。值得注意的是，卷取过程中的充分TiC析出进一步增强了强度-延展性的协同效应：(i) 细化了再结晶晶粒并抑制了退火过程中的渗碳体形成，从而减少了孔洞聚集和界面裂纹；(ii) 促进了局部位错-应变分配，提高了高应变下的晶内应变均匀性。这种基于工业可行加工技术和传统合金化的策略，为设计具有优异强度-延展性协同效应的下一代微合金钢提供了一条可扩展且成本效益高的途径。
引言
钛微合金高强度钢是一种通过添加微量钛（<0.1 wt.%）从普通钢衍生而来的主要结构材料[1]。钛微合金化实现了经济有效的晶粒细化和析出强化，赋予了其在交通运输、土木工程和能源领域等结构应用中的良好强度-延展性平衡[2]，[3]。随着对更高承载能力的需求，下一代结构钢标准要求更高的强度水平[4]，[5]。虽然通过热机械控制加工（TMCP）处理的钛微合金钢可以达到700 MPa的屈服强度，但进一步的强化通常依赖于添加昂贵的微合金元素（如Nb、V或Mo）[6]。相比之下，TMCP后的冷轧和退火工艺提供了一种有效的微观结构控制策略，能够在保持优异尺寸精度和表面质量的同时进一步提高强度[7]。
标准生产的冷轧钛微合金钢工艺包括热轧、卷取、冷轧和再结晶退火[8]，[9]。在这些步骤中，卷取过程决定了铁素体基体内纳米级TiC颗粒的初始析出。研究表明，最佳的卷取温度范围为590–610 °C，可以产生细小的TiC分散体；超出±70 °C的范围会导致严重的粗化或析出抑制[10]。初始的析出状态会在冷轧和退火过程中得以保持，以路径依赖的方式影响微观结构的演变，但这一过程目前尚不完全清楚。此外，后续的再结晶退火通常在680–760 °C下进行，以实现冷轧微观结构的完全再结晶[7]。虽然这一过程有效消除了位错并提高了延展性，但同时也导致了显著的析出体粗化，从而显著降低了强度并减弱了析出强化效果[11]。
为了满足冷轧微合金钢同时具备高强度和足够延展性的要求，近年来人们对部分再结晶退火工艺给予了越来越多的关注[12]，[13]。通过有意限制再结晶的程度，这种技术能够形成包含再结晶（软）和非再结晶（硬）相的异质铁素体[14]，[15]。再结晶相提供了足够的延展性，而非再结晶相则保持了高位错密度，有助于增强强度[12]。在此基础上，在钛微合金钢中析出纳米级TiC颗粒进一步放大了软硬相之间的局部异质性，从而使整体机械性能超越了传统的强度-延展性平衡[16]，[17]。然而，析出和部分再结晶对机械行为的耦合效应尚未得到充分理解。由于TiC析出主要发生在卷取和随后的退火过程中，因此其与部分再结晶的耦合效应本质上受到卷取和退火工艺设计的影响。
通过精确控制卷取和退火温度，本研究设计了一种新型的冷轧钛微合金钢，其特征是纳米级TiC析出体嵌入在部分再结晶的铁素体基体中。退火温度决定了再结晶比例，从而影响强度-延展性的协同效应，而卷取过程中的TiC析出进一步增强了这种协同效应。为了评估这种加工策略的效率，系统地表征了微观结构的演变，并全面评估了力学性能。随后使用同步辐射X射线衍射（XRD）、纳米压痕和中断电子背散射衍射（EBSD）技术进一步阐明了强化和塑性变形机制。本研究有望阐明调控纳米级析出体和位错结构的加工途径，为理解拉伸变形过程中的位错-应变分配机制提供宝贵见解，并有助于优化冷轧微合金钢的工艺-微观结构-性能关系。
材料与方法
根据传统的钛微合金化策略，实验钢的成分设计为Fe–0.06C–0.05Si–1.1Mn–0.08Ti（wt.%）。0.08 wt.%的Ti含量有效细化了晶粒并增强了析出强化效果，同时避免了高温下的过早析出粗化[18]。低碳含量防止了共析凝固及相关偏析现象，同时使得微合金元素在1200 °C以上完全溶解[3]。
结果
图2展示了退火前实验钢的初始微观结构。冷轧前的微观结构由先共析铁素体基体组成，其中沿着铁素体边界分布着贝氏体第二相，这与中温卷取的典型特征一致（图2a, d）[20]。在较低卷取温度的NP工艺下，铁素体晶粒呈现准多边形形态，并且
通过卷取和退火调控微观结构
通过协调控制卷取和退火温度，本研究中的冷轧钛微合金钢形成了纳米级TiC析出体均匀分布在其部分再结晶铁素体基体中的微观结构。图10示意性地展示了每个加工阶段的微观结构演变。在热轧后的卷取过程中，奥氏体基体在冷却时转变为铁素体，同时诱导了纳米级TiC的析出
结论
本研究通过结合热机械控制加工（TMCP）与冷轧和再结晶退火，开发出一种高强度-延展性的钛微合金钢，并通过多尺度表征阐明了其工艺-微观结构-性能之间的联系。主要结论如下：
- (1)
通过控制卷取过程中的TiC析出和退火过程中的部分铁素体再结晶，形成了双尺度微观结构，其特征是纳米级TiC析出体分布在部分
CRediT作者贡献声明
刘毅：数据可视化、研究、数据管理、概念化。李磊军：监督、资源调配、项目管理、方法论制定、资金获取、正式分析、概念化。高继祥：数据可视化、验证、监督、资源调配、项目管理、概念化。霍向东：撰写-审稿与编辑、验证、监督、资源调配、项目管理、研究、正式分析、概念化。陈松军：撰写-审稿与
未引用参考文献
[35]。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了广西科学技术项目（编号：2024AB08231）的财政支持。此外，我们还要感谢广西协同创新项目的支持，这些项目包括“高质量预应力钢筋的关键技术研发与产业化”（编号：2025XTXT02004）和“新一代桩用高强度耐腐蚀端板的关键高效短流程制造技术开发”（编号：2025XTXT02005）。
