在先进高强度钢的低温时效过程中，局部微观结构演变驱动了不同的力学响应

《Materials Science and Engineering: A》：Divergent mechanical responses driven by local microstructural evolution during low-temperature aging in advanced high-strength steels

高级高强度钢（AHSS）在低温时效（LTA）下的力学性能变化源于纳米尺度碳重构与相变竞争机制。宏观力学性能（屈服强度和维氏硬度）随LTA时间延长而提升，但纳米硬度显著下降，表明碳原子扩散向晶界及预存碳化物聚集，促进ε*-carbide向ε-及θ-碳化物转变，引发界面强化与基体软化两种效应的对抗。研究揭示了CP AHSS低温时效中纳米结构演变与宏观性能关联机制。

　　

Jisung Yoo | Yonghee Jo | Jin-Jong Lee | Tae-Ho Lee | Taehoon Cheon | In-Chul Choi | Bong-Jun Park | Jiyoung Kim | Seung-Pil Jung | Hyungkwon Park

韩国材料科学研究所极端材料研究实验室，昌原 51508，大韩民国

摘要

先进高强度钢（AHSSs）利用马氏体和贝氏体等硬质相，通常通过回火来改善其强度-韧性平衡。低于200°C的低温时效（LTA）能够使间隙碳原子重新分布，从而在不改变合金成分的情况下提高机械性能。尽管LTA在单相铁素体钢中已被广泛研究，但其对复杂相（CP）AHSSs的影响仍不充分了解。本研究探讨了LTA过程中CP AHSSs整体与局部性能差异的起源。从整体（屈服强度和维氏硬度）和局部（纳米硬度）两个尺度评估了机械性能，并使用高分辨率透射电子显微镜分析了微观结构演变。虽然宏观尺度上的微观结构（主要是回火的马氏体和少量贝氏体）基本保持不变，但纳米尺度上发生了明显变化。过饱和碳原子向晶界和现有碳化物扩散，促进了贝氏体区域的θ-碳化物生长以及马氏体区域从ε*-碳化物到ε-碳化物再到θ-碳化物的转变。有趣的是，屈服强度和维氏硬度随时效增加而提高，而纳米硬度却持续下降。这种对比行为归因于两种竞争机制：固溶体减少导致的基体软化以及碳偏聚引起的界面强化，后者增强了界面凝聚力并阻碍了位错运动。这些发现突显了纳米尺度碳重新分布对控制机械行为的关键作用，表明通过简单的低温处理可以实用且经济地优化第三代AHSSs的性能。

引言

随着全球碳中和倡议的推进，碳排放法规得到了加强。为此，减轻车辆重量成为提高燃油效率的关键策略。为了实现减重和乘客安全，开发了先进高强度钢（AHSSs），近年来其在车辆中的应用迅速增加[1]、[2]、[3]、[4]。AHSSs的强度已逐步提高到吉帕斯卡范围或更高，以进一步提升车辆性能。这种高强度得益于马氏体和贝氏体等硬质相的存在。尽管这些微观结构赋予了优异的强度，但它们天生具有较低的韧性和/或韧性。此外，高强度且韧性低的钢材在受力时容易发生脆性断裂。在这种情况下，热处理（特别是回火）被广泛用于改善马氏体微观结构的强度-韧性平衡[5]、[6]、[7]。 马氏体的回火通常分为四个阶段[6]、[7]、[8]、[9]。在初始阶段（第0阶段），碳原子向位错偏聚并形成调制结构。在第一阶段（约250°C以下），被困在马氏体晶格中的碳以ε-碳化物（Fe_2.4C）的形式析出。在200至300°C之间（第二阶段），残留的奥氏体分解为铁素体和θ-碳化物（渗碳体，Fe₃C），而在第三阶段，ε-碳化物被更稳定的θ-碳化物取代。超过350°C（第四阶段），θ-碳化体粗化并球化。低于200°C的热处理通常称为低温回火或低温时效（LTA）[6]、[10]。在这种温度下，置换元素几乎不动，而间隙碳原子在近平衡条件下仍可扩散[11]。因此，马氏体或贝氏体结构中的过饱和碳扩散、偏聚到缺陷中、形成簇，并最终以过渡碳化物的形式析出。这些过程——聚集、偏聚和析出——显著影响整体（如屈服强度和硬度）和局部（如断裂韧性）尺度上的机械性能[6]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。根据Krauss的研究，150–200°C温度范围内的LTA可以在保持高硬度和强度的同时提高淬火马氏体的韧性[6]、[12]。这表明有可能改善AHSSs的强度-延伸率平衡。因此，理解LTA过程中局部微观结构的演变对于阐明其相应的机械行为至关重要。

在LTA的早期阶段，只有间隙元素（即碳）通过扩散和偏聚到位错和晶界而重新分布。碳原子可能通过自旋分解机制形成簇[10]、[18]。随着簇的形成，过饱和碳原子开始占据特定的八面体位点，表明Zener有序化的开始[19]、[20]、[21]。Kawahara等人报告称，这种有序化会导致局部晶格畸变和应变[10]、[14]。随着时效的进行，ε-或η-碳化物等过渡碳化物析出以释放应变能，表明碳簇是ε-碳化物形成的前驱体[10]、[14]。在这种情况下，部分有序的过渡碳化物状态（以下简称ε*-碳化物）用于描述碳簇和完全发展的ε-碳化物之间的中间结构状态，其特征是晶体有序化不完全和碳占据度介于两者之间。Lu等人在室温下长时间时效后也观察到Fe–15Ni–1C（重量百分比）中形成了η-碳化物[22]。随后，亚稳态ε-碳化物逐渐转变为稳定的θ-碳化物，因为ε-碳化为θ-碳化物的形成提供了富碳界面和成核位点。基于这些发现，Kawahara等人提出了200°C下LTA期间的碳化物演变顺序[10]、[14]： 过饱和固溶体碳 → 碳簇 → ε-碳化物 → θ-碳化物

Barrow等人报告称，在100Cr6合金中，160°C时效过程中ε-碳化物向θ-碳化的转变是通过η-碳化物进行的[23]。然而，并非所有研究都一致报告了η-碳化物或中间状态的存在[10]、[24]，这表明碳化物转变路径可能因合金成分和回火参数而异。 尽管马氏体钢的回火行为已在高合金系统中得到广泛研究，但LTA对纯碳钢的影响仍相对较少。通常认为，这些钢材的强度和硬度会随着回火时间的延长而降低，这是由于碳扩散、位错恢复和应力松弛[6]、[7]。然而，Ushioda等人报告称，在0.045 wt% C的铁素体钢中，50°C下LTA初期硬度会增加，持续时间长达16小时，但在大约10天的长时间保持后硬度下降[13]。他们将初始硬化归因于碳聚集，而随后的硬度下降则由ε-碳化物的析出解释。这一趋势与Vieweg等人的研究结果一致，他们在50CrMo4钢中观察到硬度在200°C之前略有增加，这是由于碳偏聚和聚集，但在约300°C时由于ε-碳化物的析出而下降[15]。这些观察结果支持了碳化物析出会降低基体硬度的结论。相比之下，低碳铁素体钢的屈服强度在LTA期间持续增加，主要是由于界面强化和析出硬化。碳簇和碳化物阻碍了位错运动，而碳偏聚增强了晶界的塑性变形抵抗力[13]。大多数这些研究基于适合分离特定机制的相对简单的单相微观结构。然而，第三代AHSSs通常表现出复杂的相（CP）微观结构，包括马氏体、贝氏体和残留奥氏体的混合物[25]、[26]、[27]。因此，为了更好地理解和控制这些钢材的机械性能，研究LTA如何影响局部微观结构至关重要，这需要在简化系统的基础上进一步深入。

在这方面，我们之前对CP AHSS的研究表明，即使在150°C下进行6小时的短期退火，也能显著提高屈服强度和断裂韧性[16]。尽管没有分析详细的微观机制，但结果表明LTA可以对各种机械性能产生积极影响。尽管本研究的合金成分和加工路线有所不同，但两种钢材都具有CP型微观结构，因此探索其背后的机制是有意义的。因此，本研究旨在阐明局部微观结构如何演变以及它们如何与LTA期间CP AHSSs的机械性能变化相关。为此，制备了1.5 GPa级别的AHSS，并对其进行了0、6、12和24小时的LTA处理，以便逐步研究时效引起的变化。值得注意的是，虽然屈服强度和维氏硬度随时效时间增加，但纳米硬度却显著下降。尽管宏观微观结构变化很小，但仍观察到逐渐但明显的局部微观结构变化，如碳扩散、晶界偏聚和碳化物转变。这些发现为LTA如何改变CP钢材的机械性能提供了纳米尺度上的基本见解，为先进钢材开发中的微观结构控制提供了科学依据。

材料制备

设计了一种1.5 GPa级别的AHSS，其名义组成为Fe–(0.2–0.3)C–(0–0.5)Si–(1.0–2.0)Mn–(0.5–1.0)Cr–(0.1–0.3)Mo，并添加了少量的Ti、Ni和Cu。该合金通过真空感应熔炼制备。使用轧制设备模拟器进行热轧和冷轧，最终得到厚度为1.5毫米的板材。随后在能够精确控制参数的炉中对这些冷轧板材进行了热处理

低温时效下的微观结构稳定性

图1(a1–d1)显示了LTA0、LTA6、LTA12和LTA24试样的低倍率FE-SEM显微照片；图1(a2–d2)展示了相应的高倍率图像。所有试样都表现出相对均匀的微观结构，基体中偶尔分布着岛屿状相。在图1(a2–d2)中，基体被识别为回火马氏体和贝氏体的混合物，而岛屿状相被形态学上分类为贝氏体铁素体

讨论

尽管LTA没有显著改变整体微观结构（第3.1节），但仍观察到了微妙的原子尺度变化。特别是，即使在如此低的温度下，间隙碳原子仍然具有流动性，并逐渐在整个基体中重新分布。这种重新分布导致了三种主要的局部现象：晶界处的碳偏聚、现有碳化物的生长以及碳化物从ε*-碳化物逐步转变为ε-碳化物，最终转变为θ-碳化物（第3.3节

结论

我们研究了1.5 GPa级别AHSS在LTA期间观察到的不同机械性能背后的机制。钢材在低于200°C的固定温度下进行了不同时间的LTA（0、6、12和24小时）。从整体（屈服强度和维氏硬度）和局部（纳米压痕）两个尺度评估了机械性能，并使用FE-SEM和HR-TEM/STEM-EDS分析了微观结构变化。特别是，我们研究了碳的重新分布

CRediT作者贡献声明

Bong-Jun Park：数据管理、概念化。Jiyoung Kim：项目管理、概念化。Seung-Pil Jung：正式分析、概念化。Hyungkwon Park：写作 – 审稿与编辑、写作 – 初稿撰写、可视化、验证、监督、项目管理、研究、资金获取、正式分析、概念化。Taehoon Cheon：正式分析、数据管理。In-Chul Choi：正式分析、数据管理。Tae-Ho Lee：研究、正式分析

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

这项工作由韩国现代钢铁公司的研发中心完成。