本文研究了TMCP工艺对耐火钢微观组织和力学性能的影响，重点关注强韧性之间的关系。随着在奥氏体未再结晶温度（Tnr）以下进行的轧制道次增加，贝氏体分数从79%显著降至27%，而铁素体分数则相应增加。贝氏体的原奥氏体晶粒尺寸显著细化，而铁素体晶粒尺寸几乎保持不变。这种微观组织演变导致室温及高温下的屈服强度逐渐降低，使屈强比（600℃/室温）从0.717降至0.501。同时，夏比冲击功从32.9J增至169.5J，表明强度与韧性之间存在明显的制约关系。值得注意的是，贝氏体分数与强度及屈强比呈现强线性相关性。研究表明，仅通过工艺优化即可有效调控耐火钢的力学性能，从而为设计强韧性均衡的钢材提供了实用策略。
1 前言 耐火钢在600℃下保持较高的屈服强度，源于其具有高热稳定性的微观组织（如贝氏体）及高位错密度的存在，同时也归因于通过固溶强化和析出强化等机制对于位错湮灭的抑制。大多数关于耐火钢的研究都集中在通过钼微合金化进行合金设计，而热机械控制工艺（TMCP）的影响却较少受到关注。此外，尽管强度保留和热稳定性对耐火钢至关重要，但足够的韧性也是确保服役条件下整体力学可靠性的关键前提。一般而言，同时提高钢材强度和韧性最有效的方法是晶粒细化。从加工角度来看，TMCP工艺为高强度低合金钢实现晶粒细化提供了一种高效且经济的方法。近期基于工艺的研究还表明，优化轧制和冷却策略，无需修改合金成分即可有效调控结构钢的微观组织并提高耐火性。 本研究进行了系统研究，以阐明TMCP工艺对晶粒细化、相分数演变（贝氏体与铁素体）的影响，以及它们对耐火性能和韧性的综合作用。 2 试验方法 2.1材料制备 为探讨TMCP工艺对力学性能的影响，本研究采用真空感应熔炼（VIM）制备了化学成分为Fe-0.11C-0.31Si-1.59Mn-0.32Cr-0.28Mo-0.05Nb（wt.%）的100kg铸锭。首先将VIM铸锭分为两半，每半均在1200℃下奥氏体化2h，然后从初始厚度155mm热轧至100mm，随后空冷。之后，将每个轧制后的坯料进一步切割，并选取其中五个样品进行额外的控轧空冷。这五个样品在1200℃下奥氏体化2h，随后进行七道次热轧至最终厚度15mm。每道次的平均厚度减薄率约为25%，在奥氏体未再结晶温度（Tnr）以上和以下施加相当的减薄率。奥氏体化温度基于合金成分选择，并通过Thermo-Calc软件（TCFE12数据库）进行热力学计算验证，该计算预测在此钢材中，NbC将在约1140℃以上完全溶解。具体而言，在七道次中，Tnr以上和以下的轧制比例控制为7:0（无TMCP）、6:1、5:2、4:3和1:6。特定合金成分的Tnr温度采用以下方程计算： Tnr=887+464C+[6445Nb -644（Nb）1/2]+[732V-230（V）1/2]+890Ti+363Al-357Si （1） 其中，所有合金元素均以wt.%表示。考虑到添加0.005wt.%的Al作为脱氧剂，计算得出Tnr约为1007.43℃。基于此，完成Tnr以上的热轧（约1100℃）后，空冷至约930℃，然后开始Tnr以下的轧制。终轧后，所有试样均空冷至室温。为方便起见，轧制道次比例（Tnr以上:Tnr以下）为7:0、6:1、5:2、4:3和1:6的试样分别命名为TM70、TM61、TM52、TM43和TM16。此外，TMCP程度定义为在总轧制道次中，Tnr以下进行的轧制道次比例。因此，TMCP程度的增加表明在Tnr区域发生的变形比例更大，导致加工最后阶段的热机械条件更为剧烈。 2.2微观组织表征 通过光学显微镜（OM）观察不同TMCP程度下的整体微观组织演变。此外，采用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）进行更详细的微观组织分析，以进行物相识别。对于OM和SEM观察，将试样抛光后，使用由3mL硝酸和97mL酒精组成的硝酸酒精溶液蚀刻；而EBSD试样最终采用胶体二氧化硅悬浮液制备。对于TEM分析，薄箔试样通过双喷电解抛光制备，电解液为10%高氯酸和90%甲醇的混合溶液，温度为-30℃。此外，采用原子探针层析（APT）分析基体中的固溶体、簇状结构和析出相。为此，采用聚焦离子束（FIB）铣削制备针尖状试样，并置于1.0×10-11torr的真空室中，温度为-233.15℃。使用紫外脉冲激光（λ=355nm）进行场蒸发，功率为100pJ，频率为200kHz，蒸发速率为1.5%。数据采集后，使用交互式可视化分析软件（IVAS，APSuite6.1）进行分析。 2.3力学测试方法 室温拉伸试验采用根据ASTM E8M标准制备的板状小尺寸试样。试验在INSTRON 4485万能试验机上进行，十字头恒定移动速度为2mm/min。对于高温拉伸试验，使用符合ASTM E8M标准的小型圆形试样。在目标温度下保温20min后，于600℃进行测试。屈服前十字头速度设定为0.2mm/min，屈服后设定为1.5mm/min。所有高温试验均根据ASTM A370-22标准，在岛津AG-250KNXPLUS试验机上进行。为评估断裂韧性，制备尺寸为55mm（长）×10mm（宽）×10mm（厚）mm的V型缺口试样，并使用夏比冲击试验机（IT406，TINIUSOLSEN）在-5℃下进行夏比冲击试验。为确保可靠性，室温拉伸和夏比冲击试验各进行三次，而高温拉伸试验进行两次，分析取平均值。 3 试验结果 3.1不同TMCP程度下的微观组织演变 OM显微照片显示了TM70、TM61、TM52、TM43和TM16中的整体微观组织演变。从TM70到TM16，晶粒形状逐渐拉长，沿轧制方向排列的轧制条纹变得越来越明显。此外，TM52、TM43和TM16中出现双相微观组织，第二相分数更高。高倍放大代表性微观组织发现，TM70和TM61均由全贝氏体微观组织组成，两者之间无明显差异。然而，从TM52开始，可清晰观察到铁素体或铁素体-珠光体区域，且其分数随TMCP程度的增加而增加。此外，随着铁素体-珠光体晶粒开始形成，贝氏体晶粒尺寸趋于减小，尤其是在TM52中。而且，从TM52到TM16，铁素体晶粒似乎逐渐细化。从贝氏体和铁素体的平均晶粒尺寸随TMCP程度的变化趋势可知，当在Tnr以下进行更多轧制道次时，贝氏体的原奥氏体晶粒尺寸（PAGS）从33.91μm显著减小至18.14μm；尽管铁素体的晶粒尺寸也略有减小，但减小幅度相对较小，从7.43μm降至6.75μm。贝氏体和铁素体的相分数变化以及晶粒细化被认为会影响力学性能，尤其是强度和断裂韧性。 为分析每种微观组织的特征，选取两个代表性试样TM70和TM16作为对应最低和最高TMCP程度的极端情况。图1（a）-（c）和（d）-（f）分别展示了TM70和TM16的FE-SEM和TEM显微照片。图1（a）中，TM70的微观组织为全贝氏体，其中原奥氏体晶界（PAGBs）清晰可见，如白色虚线所示。如图1（b）所示，TM70的整体基体由贝氏体铁素体组成；然而，由于连续冷却，其包含多相混合物，导致微观组织比常规贝氏体更复杂，可能包括无碳化物贝氏体（B）、片状马氏体-奥氏体（M/A）组元和退化珠光体（P）。对于TM16，如图1（d）所示，观察到高分数的铁素体，其主要沿变形轧制条纹排列。此外，这些铁素体条带之间的区域由复杂的相混合物组成，包括轻微变形的多边形铁素体、马氏体-奥氏体（M/A）组元、退化珠光体和粒状贝氏体，如图1（e）所示。TM70和TM16基体中的主导相（贝氏体和铁素体）分别在图1（c）、（f）的TEM图像中清晰识别。贝氏体相呈现无碳化物板条形态，具有高位错密度，而铁素体表现为再结晶状态，其特征为多边形形状和极低的位错密度。 尽管在所有试样的TEM分析中均未观察到析出相，但对TM70试样进行了APT分析，以进一步研究Nb原子的元素分布。分析结果显示，对于0.1at.%Nb，识别出通常小于10nm的富Nb颗粒。C和Nb的共定位表明这些颗粒是NbC析出相或Nb-C簇。然而，大部分Nb仍以固溶体形式存在，表明大多数Nb尚未析出。这解释了不仅在TM70中，而且在其他试样中，TEM图像中未观察到清晰的NbC析出相的原因。因此，大部分Nb要么以固溶体形式存在，要么以细簇形式存在，仅有有限部分以极细的NbC形式析出。 3.2不同TMCP程度下的力学性能 分析不同TMCP程度下室温及600℃时屈服强度和抗拉强度的变化，结果发现，即使在Tnr以下进行的轧制道次增加，室温抗拉强度仍相对恒定在约700MPa，而屈服强度从508MPa逐渐降至453MPa。相反，在600℃时，两种强度均呈现下降趋势。有趣的是，随着在Tnr以下进行的轧制道次增加，600℃下屈服强度的降低变得更加显著。TM70和TM61与室温相比，屈服强度下降相对温和（平均从501MPa降至362MPa），而随着TMCP程度的增加，下降幅度更显著，TM16下降近50%（从453MPa降至227MPa）。考虑到室温抗拉强度几乎恒定，600℃下的强度下降程度随TMCP程度的增加而增加，这与屈服强度的趋势一致。强度下降可能与微观组织特征相关，特别是贝氏体和铁素体分数的变化以及TMCP诱导的晶粒尺寸变化。 从不同TMCP程度下的屈强比（600℃/室温）和冲击功可以看出，随着在Tnr以下进行的轧制道次增加，屈强比逐渐下降，而冲击功则显著增加。具体而言，TM70和TM61的力学性能保持稳定，平均屈强比和冲击功分别为0.722和34.2J。尽管此时韧性仍有限，但屈强比超过2/3，表明耐火性能优异。然而超出这一点，屈强比从TM61的0.728急剧降至TM16的0.501，而冲击功从TM61的35.5J显著增至169.5J（TM16）。这一趋势与延展性随TMCP程度增加而增加的情况一致，这可能部分有助于断裂韧性的提升。这种反比关系凸显了TMCP对耐火钢强度保留和韧性的竞争效应。
4 讨论 4.1基于EBSD的贝氏体和铁素体相量化 为量化不同TMCP条件下铁素体的演变，对TM70、TM61、TM52、TM43和TM16进行了EBSD分析。从获得的图像质量（IQ）图、沿轧制方向的反极图（IPF）、和核平均取向差（KAM）图可知，TM70由全贝氏体结构组成，具有保存完好的板条形态。尽管OM观察中TM61钢材表现为全贝氏体，但EBSD分析发现其存在铁素体的痕迹。从TM52开始，观察到显著分数的铁素体，其分数随TMCP程度增加直至TM16而持续增加。同时，晶粒变得更加细化并逐渐拉长，尤其是在铁素体相中，这与铁素体分数的增加一致。 TM70中的全贝氏体微观组织归因于合金系统的高淬透性以及奥氏体相的相对较快冷却速率。特别是，Mo（0.28wt.%）、Mn（1.59wt.%）和Cr（0.32wt.%）通过抑制铁素体和珠光体的形成来提高淬透性。此外，Mo增加了Nb在奥氏体中的溶解度，延迟富Nb析出直至铁素体转变阶段，从而形成更细的颗粒。这些细颗粒通常超出TEM的分辨率。然而，APT分析已证实其以纳米级析出相或簇的形式存在。Nb还通过延缓静态再结晶和通过溶质拖拽减缓铁素体生长来提高淬透性。因此，Nb和Mo协同作用，通过在空冷过程中抑制奥氏体分解来稳定贝氏体的形成。同时，当在Tnr以下进行更多轧制道次时，铁素体分数增加。这种现象归因于Tnr以下奥氏体中静态再结晶的抑制和应变的积累。因此，随着TMCP程度的增加，晶粒变得越来越拉长，铁素体和贝氏体相倾向于形成沿轧制方向排列的带状结构。因此，铁素体分数增加，尤其是在Tnr以下进行更多轧制道次的钢材中。 需要一种可靠的方法来区分贝氏体和铁素体，以定量评估TMCP诱导的相演变。由于这些相的分数与其力学性能（尤其是强度和韧性）密切相关，准确的相量化对于阐明其贡献至关重要。尽管EBSD图清楚地揭示了微观组织的定性差异，但准确的相量化需要一致且客观的分类标准。在各种EBSD衍生参数中，据报道KAM比其他参数（如IQ或晶粒取向差（GOS））更敏感和可靠，特别是对于区分贝氏体结构与再结晶铁素体。Zaefferer等人引入了最大KAM阈值（KAMmax）的概念，将其定义为KAM直方图的拐点。提出的KAMmax=0.6±0.05°与低合金Al-TRIP钢中的手动相分割显示出最高的一致性。在他们的分类中，KAM<KAMmax的体心立方（bcc）索引像素被归类为铁素体，而KAM≥KAMmax的像素被视为贝氏体，这反映了每个相中的内部取向差程度。此外，近期研究采用基于KAM的阈值来定义铁素体-贝氏体微观组织中的相界。例如，Jentner等人将基于KAM的EBSD方法应用于区分高强度低合金钢中的多边形铁素体与贝氏体区域，而Kang等人在其淬火配分钢的分析中使用了0.5°的阈值。基于这些见解，本研究保守地采用0.7°作为KAMmax值，以区分铁素体（KAM<KAMmax）与低温转变产物（如贝氏体，KAM≥KAMmax）。尽管0.7°-1.2°范围内的KAM值可能包括变形铁素体、过渡结构或重叠区域的贡献，但根据先前基于EBSD的分类，所有KAM≥0.7°的区域均指定为“贝氏体”，以进行实际量化。 KAM图是基于上述0.7°的阈值生成的，以直观地区分贝氏体和铁素体。使用该分类标准，定量测量了每个试样的相分数。对于TM70，贝氏体分数估计为79.3%，TM61中仅略微降至73.8%。然而，从TM52开始观察到显著下降（TM52为57.2%，TM43为36.5%，TM16为27.0%），相分数的这种急剧变化与力学性能的变化趋势密切相关，其中屈服强度和韧性在TM61之前相对稳定，但从TM52开始发生显著变化。此外，测得的贝氏体分数与Tnr以下的轧制道次数通过二阶多项式回归进行了合理拟合，方程为y=0.0064x2-1.2215x+83.57，决定系数高（R2=0.9454），这意味着有可能基于TMCP条件近似预测相平衡。 4.2重新解读相分数与力学性能的相关性 通过将量化的贝氏体分数与屈服强度、韧性和耐火性能相关联，旨在确定支配力学行为的微观组织因素。 室温和600℃下的屈服强度均与贝氏体分数呈现强线性相关性，突显了相组成的关键作用。在室温条件下，屈服强度随贝氏体分数线性增加，遵循回归方程y=0.9171x+430.18，R2=0.9564。在600℃下，两者之间的关系也呈线性，遵循回归方程y=2.4130x+175.86，R2=0.9416。高R2值表明贝氏体分数是两个温度下强度发展的主导因素。 屈强比和冲击功直接关系到钢材的耐火性和抗损伤行为，使其成为高温条件下结构性能的关键指标。研究分析发现，屈强比和冲击功之间呈现相反的趋势，证实强韧性之间的关系由相演变支配。根据上述各个屈服强度的变化趋势推断，屈强比（600℃/室温）也与贝氏体分数呈线性关系（y=0.0038x+0.4277，R2=0.9035）。尽管屈强比的R2值略低于各个屈服强度的R2值，但仍高于0.90，表明与贝氏体分数具有相当强且可靠的相关性。相反，断裂韧性与贝氏体分数呈现非线性关系。它从169.5J（TM16）降至32.9J（TM70），并遵循二阶多项式回归方程y=0.0065x2-9.1389x+355.82（R2=0.9257）。这种对比表明，尽管贝氏体分数是强度和屈强比的主导因素，但断裂韧性可能受相分数之外的其他微观组织参数影响。尽管如此，屈强比和断裂韧性之间出现了明显的权衡关系，突显了相演变对强度和韧性的相反影响。 本研究中，由于合金成分恒定且无法表征析出相的详细分布，假设固溶强化和析出强化对贝氏体和铁素体的贡献是等效的。此外，随着TMCP程度的变化，铁素体的晶粒尺寸略有下降，从7.43μm降至6.75μm。对于贝氏体，基于EBSD分析中2°-7°范围内的小角度晶界（LAGBs）量化，有效晶粒尺寸在1.15-1.78μm之间窄范围变化。考虑到每个相内的最大晶粒尺寸变化小于0.7μm，晶粒细化对屈服强度的贡献较小。因此，推断相分数是支配不同TMCP条件下强度演变的主导微观组织因素。 尽管铌微合金化通常与析出强化相关，但在所有TMCP试样的TEM分析中均未观察到明显的NbC析出相。这可能归因于富铌特征的极细尺寸或簇状性质，使其难以通过常规TEM分辨。为克服这一限制，对TM70进行了APT分析，结果显示纳米级（Nb,Mo）C析出相和小于10nm的Nb-C簇。基于这些发现，采用基于相分数的混合法则模型估计强度贡献，从而捕捉了每个相内不可检测的细析出相和溶质原子的影响。 与屈服强度不同，断裂韧性与贝氏体分数呈现非线性关系，表明涉及其他微观组织因素。多边形铁素体表现出等轴和再结晶的晶粒形态，具有有限的粗大碳化物，通常比贝氏体具有更高的抗解理断裂能力。因此，铁素体分数的增加似乎是韧性提升的最关键因素。除相分数外，晶粒尺寸也起作用。尽管不同TMCP条件下铁素体晶粒尺寸变化不大（7.43-6.75μm），但贝氏体的原奥氏体晶粒尺寸（PAGS）显著细化——从33.91μm（TM70）降至18.14μm。为评估相分数和晶粒细化的相对贡献，开发了以贝氏体分数（fB）和原奥氏体晶粒尺寸（PAGS，dB）为自变量的多元线性回归模型。模型方程：断裂韧性=271.72-87.38fB-5.61dB（dB是平均原奥氏体晶粒尺寸（μm）。该模型表现出很高的解释力（R2=0.8630），尽管有限的样本量（n=5）对系数显著性的统计分析带来一定制约。此外，由于两个变量的尺度和单位不同，不应直接比较回归系数的大小。尽管存在这些限制，该模型仍为微观组织因素对断裂韧性的相对影响提供了有价值的见解。基于断裂韧性趋势和相变程度，贝氏体分数的降低可被解释为支配韧性提升的主要微观组织因素。相反，PAGS的减小作为次要因素，微调微观组织并进一步增强断裂韧性。 贝氏体分数与屈服强度（包括屈强比）之间的强线性关系证实，增加贝氏体含量是同时确保低合金钢高强度和耐火性的有效策略，为TMCP优化提供了关键的微观组织指导。这种权衡行为突显了尽管强化TMCP可能降低高温强度，但同时提高的断裂韧性可以显著增强火灾暴露下的结构可靠性。因此，耐火钢中低温轧制的工程意义不仅在于强度保留，还在于实现耐火性和韧性的均衡组合，以满足实际结构应用的需求。 尽管低温变形下铁素体的形成是钢材中众所周知的现象，但本研究重点关注此类微观组织演变如何影响耐火钢中耐火性与断裂韧性的平衡。通过调整TMCP条件，可以系统地调控铁素体-贝氏体分数，提供一种基于工艺的策略，无需改变成分即可实现性能改善。这些发现阐明了耐火钢TMCP过程中支配强度和韧性的潜在机制。相分数演变和贝氏体晶粒细化对强度和韧性有显著不同的贡献，为观察到的权衡行为提供了微观组织解释。 5 结论 通过以上研究，得出如下结论：1）当在Tnr以下进行更多轧制道次时，贝氏体分数逐渐降低，而铁素体分数增加。铌主要以固溶体形式存在，仅有小部分形成细析出相或簇。尽管贝氏体的原奥氏体晶粒尺寸（PAGS）从33.91μm细化至18.14μm，但亚结构晶粒尺寸（约1.47μm）和铁素体晶粒尺寸（约7.19μm）几乎保持不变。2）随着在Tnr以下进行的轧制道次增加，室温抗拉强度几乎保持恒定（≈700MPa），而室温和600℃下的屈服强度逐渐降低。相应地，屈强比（600℃/室温）从0.717降至0.501。相反，夏比冲击功从32.9J显著增至169.5J，反映出断裂韧性大幅提升。3）基于使用KAM阈值（KAMmax=0.7°）的EBSD定量相分析证实，贝氏体分数从TM70的79.28%降低至TM16的26.99%，验证了微观组织转变。4）贝氏体分数与室温及高温下的屈服强度以及屈强比呈现强线性相关性，表明贝氏体在高温强度保留中的关键作用。与之相反，断裂韧性的提升主要归因于铁素体分数的增加，而贝氏体晶粒细化起补充作用。 以上结论表明了基于微观组织的工艺控制在优化强韧性平衡中的重要性。特别是，本研究证明通过工艺优化可以有效控制耐火性能和断裂韧性，为未来通过TMCP工艺设计最大化力学性能的研究奠定了基础。
