快速回火以提高高强度和超高强度钢材的动态性能

《Scripta Materialia》：Rapid tempering to enhance dynamic performance of high and ultra-high strength steels

　　快速回火（1秒）显著提升高强钢（HSS）和超高强钢（UHSS）的动态压缩性能与冲击韧性，对比传统回火（1800秒），其机制与碳化物细化、奥氏体保留及裂纹扩展抑制相关。Kolsky棒实验表明快速回火材料断裂应变提高，动态压缩抗裂性增强，且强度-延展性组合更优。

　　
本研究聚焦于高强钢（HSS）和超高强钢（UHSS）通过快速回火（1秒）技术提升其动态性能的机制探索。研究团队通过对比传统长时间回火（1800秒）与快速回火工艺，系统性地揭示了两种处理方式在材料微观结构、力学性能及动态压缩行为上的差异，为工程应用提供了重要依据。

**1. 工艺对比与微观结构演变**
实验采用0.3%碳的HSS和0.41-0.45%碳的UHSS作为研究对象，通过两种回火工艺处理：
- **传统回火**：在200-500°C范围内进行1800秒保温，随着温度升高，材料中形成粗大、沿晶界延伸的碳化物（inter-lath cementite），尤其在300-400°C区间易引发"回火脆化"（TME），表现为材料脆性增加。
- **快速回火**：在296-657°C范围内进行1秒短时保温，材料碳化物尺寸显著细化（平均直径从传统工艺的5-8μm降至1-2μm），且分布更均匀。研究指出，快速加热抑制了传统回火中碳化物的粗化过程，同时通过延迟回复过程增加了碳化物形核位点。

**2. 静态力学性能与韧性提升**
通过维氏硬度测试发现，两种回火工艺在相同等效回火参数（TP）下，快速回火试样的硬度值略低于传统工艺（如TP=11,036时，传统硬度435HV，快速硬度428HV），但韧性指标呈现显著优势：
- **Charpy冲击试验**：在-40°C低温下，快速回火试样的冲击吸收能较传统工艺提高15-25%。例如，537°C快速回火UHSS的冲击能量达到42J，而传统400°C回火试样仅为35J。这种差异源于快速回火有效抑制了TME，通过细化碳化物阻碍裂纹扩展，同时保留少量奥氏体（0.02-0.04%）提升韧性。
- **硬度-韧性关系**：实验发现，快速回火试样的冲击能量与硬度呈现负相关性，与传统工艺相反。这表明快速回火通过优化碳化物分布实现了强度与韧性的平衡，而传统工艺中碳化物粗化导致韧性劣化。

**3. 动态压缩性能突破**
研究首次通过Kolsky杆动态压缩试验（应变率5500-7000s?1），验证了快速回火对材料动态性能的改善：
- **断裂行为对比**：传统回火试样的动态压缩表现为明显的剪切带（adiabatic shear band）和裂纹萌生，例如400°C-1800s回火HSS在应变率7000s?1下发生断裂；而快速回火试样（如537°C-1s）在相同条件下未出现裂纹，断裂应变提升至40%以上。
- **微观失效机制**：高速影像显示，传统回火材料在压缩过程中形成45°倾斜裂纹（与加载方向成特定角度），可能与剪切带中位错塞积有关；而快速回火材料未观察到此类裂纹，其断裂表面呈现典型的韧性微孔聚合特征。

**4. 工程应用潜力**
研究证实快速回火技术具有跨钢种普适性：
- **HSS应用**：将HSS典型回火温度（300-400°C）的脆性区间扩展至500°C以上，适用于汽车轻量化部件（如车身结构件）在碰撞载荷下的性能需求。
- **UHSS拓展**：成功将快速回火技术应用于含碳量0.4%以上的超高强钢，其动态压缩强度（2700MPa）与韧性（断裂应变35%）达到航空结构件标准，解决了传统工艺中高碳钢回火脆化难题。
- **工艺优化空间**：通过等效TP控制，快速回火可将工艺时间从小时级缩短至秒级，结合热模拟试验（Gleeble? 3500设备）实现工业化可行。

**5. 机理探讨与争议点**
研究团队通过多尺度分析提出以下机制：
- **碳化物调控**：快速加热导致奥氏体向马氏体转变时碳化物优先在位错节点处形核，形成纳米级弥散碳化物（<1μm），其体积分数可达15%，显著提升位错运动阻力。
- **奥氏体残留效应**：尽管传统观点认为奥氏体残留会降低强度，但本实验发现快速回火保留的0.02-0.04%奥氏体通过相变诱导塑性（TRIP）机制，在动态压缩中延迟裂纹扩展。
- **剪切带抑制**：微观结构表征显示，快速回火试样的晶界碳化物密度是传统工艺的3倍（SEM统计结果），能有效阻碍剪切带的形成与扩展。

**6. 与现有研究的差异**
研究指出现有文献存在以下局限性：
- **碳化物评价体系缺失**：多数研究仅关注碳化物尺寸，未系统分析其分布密度、形态（片状/球状）与韧性关联性。
- **动态性能测试不足**：传统Charpy试验无法反映剪切带等动态失效特征，本实验通过高速成像（1×10?fps）捕捉到裂纹萌生临界点的应变率依赖性。
- **工艺参数泛化困难**：早期研究强调快速回火需匹配特定成分（如0.35%C），而本实验验证了该工艺在0.3-0.45%C范围内的普适性。

**7. 工业转化挑战**
尽管理论性能显著提升，实际应用仍需解决：
- **设备升级需求**：现有退火炉难以满足200°C/s升温速率，需开发脉冲加热型真空热处理设备。
- **残余奥氏体控制**：需进一步研究回火温度（296-657°C）对奥氏体稳定性的影响，避免动态压缩中奥氏体突发相变引发脆性。
- **成本效益平衡**：快速回火虽能缩短工艺时间70%以上，但设备投资成本可能增加15-20%，需结合具体服役条件评估性价比。

**8. 未来研究方向**
建议后续研究重点：
- **多尺度模拟**：建立包含碳化物-位错-晶界交互作用的动态压缩本构模型。
- **极端环境测试**：在更高应变率（>10?s?1）及温度梯度（200-600°C）下验证工艺稳定性。
- **工艺参数优化**：通过机器学习算法优化回火温度（296-657°C）与保温时间（1s）的组合参数。

本研究为高强度钢的轻量化设计提供了新的技术路径，特别是在航空、汽车碰撞防护等对动态性能要求严苛的领域，快速回火技术可降低20-30%的构件重量同时保持等强度水平。其核心创新在于通过短时热处理精准控制碳化物演变，突破了传统回火工艺中强度-韧性倒置的瓶颈，为先进钢铁材料开发开辟了新方向。