奥氏体晶粒尺寸对低碳钢贝氏体相变行为的影响：从变体选择到力学性能的协同调控机制

为解决低碳钢贝氏体相变动力学与微观组织异质性矛盾问题，西北工业大学凝固技术国家重点实验室团队通过多尺度表征与动力学建模，揭示了奥氏体晶粒尺寸（PAGS）通过调控变体选择（CP/Bain分组）影响应变协调机制，发现大晶粒因降低自催化形核激活能（QA）促进多变体形成，最终实现力学性能的稳定化。该研究为汽车用钢性能优化提供了新视角。

　　

在汽车轻量化趋势下，高强度高韧性低碳贝氏体钢成为行业焦点，但其相变过程中奥氏体晶粒尺寸（PAGS）的作用机制长期存在争议——传统研究多关注动力学加速/减速效应，却忽视了变体选择（Variant selection）对微观组织层级结构的调控。更棘手的是，不同团队关于PAGS影响的结论甚至相互矛盾：有研究称小晶粒加速相变，另有发现表明其会抑制贝氏体生长。这种认知鸿沟严重制约了材料性能的精准调控。

西北工业大学凝固技术国家重点实验室的Feilong Liu团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表的研究，通过设计900°C/950°C/1000°C三种奥氏体化温度获得19-37μm的PAGS梯度，结合原位膨胀仪、EBSD变体重构和热-动力学耦合模型，首次揭示了PAGS通过"应变协调-激活能-变体分组"三重机制影响相变行为的本质。

研究采用JMatPro软件预计算TTT/CCT曲线确定370°C等温工艺，通过电子背散射衍射（EBSD）结合K-S取向关系重构原奥氏体晶界，利用透射电镜（TEM）解析贝氏体/奥氏体界面晶体学特征，并基于Ravi-Avila动力学模型分离拟合不同PAGS条件下的形核激活能参数。

3.1 贝氏体相变行为与微观特征

膨胀曲线显示大晶粒（DB1000）相变速率峰值提前300秒，这与EBSD统计的变体分布规律高度吻合：小晶粒（DB900）中V1/V2变体占比达58%，而大晶粒中24种变体均匀分布。TEM证实所有样品均保持{111}_γ//{011}_α的K-S关系，但极图分析显示大晶粒偏离理想取向更显著（Δθ_CPD=0.74°），表明更完全的应变释放。

3.3 晶体学特征

CP分组分析揭示关键转折——当PAGS从19μm增至37μm时，CP1组变体比例从42%降至28%，而Bain组内低角度晶界（LAGBs）减少15%。PTMC计算证实，六变体集群的von-Mises等效应变比单变体低62%，这解释了为何大晶粒能通过多变体协同降低Q_A（从221.42降至205.12 kJ/mol）。

4.2 变体协调的动力学角色

创新性地发现应变能释放主要反映在Q_A变化上：当PAGS增大时，Q_A降低对应着ΔQ（=Q_GB-Q_A）从15.12增至33.63 kJ/mol，促使自催化形核占比从67%提升至82%。这种"应变能-激活能"耦合效应突破了传统热-动力学模型的局限。

4.3 力学性能调控机制

尽管块体尺寸（Block size）随PAGS减小而缩减23%，但小晶粒中高角度晶界（HAGBs）密度反而降低17%，导致DB900-DB1000的屈服强度仅波动±20MPa。广义稳定性（GS）分析表明，三组样品ΔG-Q协同演化轨迹高度重叠，这从热力学角度解释了力学性能稳定的本质。

该研究建立了PAGS-变体选择-性能调控的全链条认知：大晶粒通过降低Q_A促进多变体协调应变，虽加速相变但维持了组织稳定性；小晶粒虽增加形核位点，却因高Q_A限制变体多样性。这种"此消彼长"的机制为汽车钢强韧性协同优化提供了新思路——通过精准调控PAGS实现变体界面工程，而非单纯追求晶粒细化。