中锰钢中奥氏体-铁素体双相组织的高温变形协调性增强机制及其热加工性能优化研究

为解决先进高强钢(AHSSs)冷成形过程中回弹大、成形载荷高及模具磨损严重等问题，研究人员针对Fe-0.18C-8.4Mn-3.1Al中锰钢开展奥氏体(γ)-铁素体(α)双相组织(DP)与单相奥氏体(SP)高温拉伸变形行为研究。发现双相组织在0.01 s-1应变速率下呈现最低峰值应力(157.9 MPa)、最佳抗颈缩能力和最大延伸率(86.6%)，其优异的热加工性能源于铁素体连续动态再结晶(CDRX)与奥氏体不连续动态再结晶(DDRX)的协同作用，以及动态应变分配反转和晶界滑动(GBS)行为。该研究为安全关键汽车零部件的热冲压工艺开发提供理论指导。

　　

在汽车工业追求轻量化和安全性能的双重目标下，传统热冲压硼钢面临强度-塑性乘积(PSE)不足的瓶颈。中锰钢因其优异的强塑积和成本优势成为新一代先进高强钢(AHSSs)的候选材料，但其在临界温度区间(Ac₁-Ac₃)的热变形行为机制尚不明确。与完全奥氏体化的硼钢不同，中锰钢在临界区变形时会形成γ-α双相组织，导致动态再结晶(DRX)行为和应变分配机制更为复杂。

山东科技大学材料科学与工程学院的Y. Sun团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表研究，通过对比双相(DP)与单相奥氏体(SP)试样在750°C下的高温拉伸实验，结合EBSD、TEM和XRD等表征技术，系统揭示了双相组织优异高温变形协调性的微观机制。

关键技术方法包括：(1)采用Gleeble 3500C热模拟机进行750°C下0.01-1 s^-1应变速率的高温拉伸实验；(2)通过EBSD分析晶界特征和动态再结晶行为；(3)基于XRD峰宽分析计算位错密度；(4)利用TEM观察α/γ界面位错结构；(5)通过应变速率敏感性指数m和变形激活能Q评估晶界滑动(GBS)贡献。

研究结果：

1. 1.

   高温拉伸性能

   DP试样在0.01 s^-1时展现最低峰值应力(157.9 MPa vs SP试样277.4 MPa)和最大延伸率(86.6% vs 58.5%)，表现出显著的正应变速率敏感性。

2. 2.

   显微组织演变

   DP-0.01试样中γ和α相均呈现等轴晶形态，DRX分数高达90.89%。随着应变速率提高，亚晶界(VLAGBs+LAGBs)比例从6.6%增至51.4%，DRX分数降至24.08%。

3. 3.

   铁素体CDRX机制

   通过亚晶界取向差累积(2°→15°)形成新晶界，ε=0.7时DRX分数达70%。高堆垛层错能(SFE)促进位错滑移和攀移，抑制DDRX。

4. 4.

   奥氏体DDRX机制

   受低SFE限制，主要通过应变诱导晶界迁移(SIBM)形成DDRX核。α/γ相界面能垒高导致DDRX分数(ε=0.7时为~30%)低于铁素体。

5. 5.

   动态应变分配反转

   初期应变集中于铁素体(ε=0.3时GND密度3.73×10¹⁴ m^-2)，后期(ε=0.7)奥氏体GND密度(3.02×10¹⁴ m^-2)反超，形成堆垛层错和Lomer-Cottrell位错锁。

6. 6.

   GBS行为

   双相组织的应变速率敏感性指数m_A+F=0.357(>0.3)且激活能Q_A+F=101.52 kJ/mol，显著低于单相奥氏体(183.98 kJ/mol)，表明GBS贡献更大。

该研究首次阐明中锰钢双相组织通过三种协同机制提升热加工性能：(1)CDRX与DDRX的动态互补，(2)应变分配反转实现的载荷转移，(3)高界面密度促进的GBS协调变形。这些发现为开发兼具高成形性和碰撞安全性的热冲压汽车部件提供新思路，相比传统硼钢部件可实现近三倍的碰撞吸能效率提升。研究提出的"低温-低能耗"热加工工艺路线，对推动汽车轻量化技术发展具有重要工程应用价值。