冷轧后进行层间退火的CGPed低碳钢的微观结构、组织及力学性能

《Journal of Materials Research and Technology》：Microstructure, texture, and mechanical properties of inter-pass annealed CGPed low carbon steel after cold rolling

细晶强化与强度-韧性协同机制研究：基于多道次约束沟槽轧制与退火的低碳钢塑性变形行为分析

　　本研究重点探讨了低碳钢在受约束沟槽压延（CGP）工艺处理后，进一步进行冷轧对材料机械性能、微观结构、断裂表面和晶体学织构的影响。CGP作为一种严重的塑性变形（SPD）技术，已被广泛应用于生产超细晶（UFG）结构，它能显著提升材料的强度，但往往导致延展性的大幅下降。尽管如此，研究者们发现，将CGP与后续冷轧结合可能能够克服这些局限，从而优化材料的强度与延展性之间的平衡。本文通过对不同工艺参数下的材料进行系统分析，揭示了CGP与冷轧联合处理对低碳钢性能的显著影响，并为未来的材料加工提供了有价值的参考。

在实验设计中，研究者首先对初始材料的表面质量进行了评估，确定30%的冷轧减薄率作为后续处理的最佳选择。该减薄率在视觉上显著改善了由CGP引起的表面沟槽，使表面更加光滑且均匀。这一结果表明，通过合理控制冷轧的减薄程度，可以有效提升材料的表面质量，同时减少厚度损失。进一步的实验表明，30%的冷轧减薄率不仅能够消除大部分表面缺陷，还能显著提升材料的强度与硬度，同时保持一定的延展性。在进行30%冷轧后，材料的抗拉强度（UTS）从原始的288 MPa提升至504 MPa，硬度从98.9 HV增加到175 HV，而晶粒尺寸从44.5 μm减少至19 μm。尽管延展性下降至8.5%，但材料仍表现出韧性断裂特征，说明其在强度提升的同时，仍具备一定的塑性变形能力。

为了进一步探索CGP与冷轧的协同效应，研究者还引入了中间退火工艺，即在每次CGP处理后，在400°C下进行20分钟的退火。这种处理方式有助于缓解材料内部的残余应力，并促进晶粒的再结晶，从而在提升强度的同时，部分恢复延展性。通过多次CGP处理和中间退火，材料的晶粒尺寸进一步减小，达到15 μm，而抗拉强度则提升至580 MPa，但延展性大幅下降至3.6%，材料表现出脆性断裂特征。这表明，随着CGP次数的增加，材料的强度持续提升，但延展性则受到限制。研究者通过X射线衍射（XRD）分析材料的晶体学织构变化，发现随着CGP次数的增加，传统α纤维和γ纤维织构逐渐减弱，而与剪切相关的ζ纤维织构则显著增强。特别是，在多次CGP处理和退火后，材料的织构特征以ζ纤维为主导，伴有较强的Goss和旋转Goss组分，这表明材料的织构在多次塑性变形和热处理过程中发生了复杂的演变。

在机械性能方面，研究发现CGP与冷轧的结合能够有效提升材料的强度，同时保持一定程度的延展性。与仅进行一次CGP处理的材料相比，经过冷轧的材料表现出更高的抗拉强度和硬度，但延展性有所下降。然而，经过中间退火处理的材料，其延展性得到了一定程度的恢复，尽管强度仍然保持在较高水平。研究者指出，这种强度与延展性的平衡可以通过调整CGP次数和冷轧减薄率来实现，其中两次CGP处理和一次冷轧（C4CR）的组合表现出最佳的性能平衡，即抗拉强度达到533 MPa，延展性为7.4%，相较于仅进行一次CGP和冷轧的样品（CR）表现出更高的强度与延展性的协调性。相比之下，三次CGP处理和冷轧（C4C4CR）虽然在强度上达到最高，但延展性显著下降，可能限制其在需要良好成形性能的应用场景中的使用。

在微观结构分析方面，通过光学显微镜和图像分析软件（ImageJ）对材料的晶粒尺寸进行了详细测量。结果表明，CGP处理显著细化了晶粒，而冷轧进一步提升了晶粒的均匀性。此外，XRD分析显示，随着CGP次数的增加和中间退火的引入，材料的晶粒尺寸和位错密度呈现出逐步下降的趋势。这种变化表明，CGP和冷轧的联合处理不仅能够提升材料的强度，还能通过晶粒细化和位错密度的调整，改善其微观结构的均匀性。同时，FE-SEM分析揭示了材料的断裂表面特征，包括裂纹扩展路径和裂纹形态的变化。研究发现，随着材料的强度提升，断裂表面的韧性特征（如凹坑和山谷）逐渐减少，而脆性特征（如裂纹面）则变得更加明显。这表明，材料在强度提升的同时，其延展性也在下降，这种趋势在三次CGP处理和冷轧的样品中尤为显著。

本研究还探讨了不同处理方式对材料性能的影响。例如，仅进行冷轧的样品（PR）表现出较高的硬度，但其抗拉强度和延展性均未达到最佳水平。相比之下，CGP处理后的样品（C）和CGP与冷轧结合的样品（CR）在强度和硬度方面表现出更显著的提升，而延展性则有所下降。然而，通过引入中间退火处理，材料的延展性得到了一定程度的恢复，尽管其强度仍保持在较高水平。这种处理方式有助于缓解CGP和冷轧过程中产生的残余应力，从而改善材料的加工性能。此外，研究者还指出，不同处理方式对材料织构的影响存在显著差异，例如，CGP处理主要促进了与剪切相关的织构形成，而冷轧则强化了传统织构。通过多次CGP处理和中间退火，材料的织构逐渐向更复杂的剪切相关结构发展，这可能对材料的力学行为产生深远影响。

总体而言，本研究通过系统的实验设计和分析，揭示了CGP与冷轧结合处理对低碳钢性能的优化潜力。研究结果表明，适当的冷轧减薄率和中间退火温度能够有效提升材料的强度和硬度，同时在一定程度上恢复其延展性。此外，材料的微观结构和织构变化对其最终性能具有重要影响，例如，晶粒细化和位错密度的增加有助于提升强度，但可能限制延展性。因此，通过合理调控CGP次数和冷轧参数，可以实现材料性能的优化，使其在保持良好强度的同时，具备一定的延展性。这为低碳钢在先进工程应用中的性能提升提供了新的思路，也为其他金属材料的加工工艺优化提供了参考依据。