淬火-配分（Q & P）鋼作為第三代先進高強鋼的典型代表，因其良好的強度塑性匹配引起研究學者的廣泛關注。Q & P鋼的微觀組織主要由馬氏體基體和殘余奧氏體構成，其中馬氏體基體提供了高強度，殘余奧氏體通過相變誘導塑性（TRIP）效應改善了塑性。殘余奧氏體的穩定性是調控TRIP效應的關鍵，主要取決于配分階段碳原子自馬氏體向奧氏體的富集。然而，傳統Q & P工藝在配分階段存在著競爭反應，如碳在馬氏體中的偏聚、碳化物的析出和貝氏體轉變等。其中，碳化物析出因消耗較多碳原子引起廣泛關注。為避免碳化物析出對碳原子的消耗，傳統Q & P鋼通常添加一定的Si和/或Al元素（如1.5 wt.%），雖然能抑制滲碳體的析出，但是無法阻礙過渡（ε/η）型碳化物的析出。因此，如何抑制過渡型碳化物的析出，提高利用碳原子穩定殘余奧氏體的效率，仍是亟需解決的關鍵技術問題。

近日，北京理工大學程興旺教授團隊深化前期提出的非均質淬火-配分（PPQ&P）工藝，通過構建片層式錳配分來切割高溫奧氏體，調控了Q & P工藝中碳原子的擴散行為，利用貧錳馬氏體中碳化物緩慢析出與富錳奧氏體中碳元素快速富集的動力學差異，攻克了Q & P鋼中過渡型碳化物析出的難題。相關論文以題為“On the role of chemical heterogeneity in carbon diffusion during quenching and partitioning”發表在Acta Materialia。張超博士為論文第一作者，熊志平長聘副教授為通訊作者。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.119902

該研究采用Fe-0.29C-3.83Mn-1.50Si (wt.%)鋼，首先制備具有強烈Mn配分的珠光體作為初始組織，再進行快速奧氏體化構建非均質高溫奧氏體，最后進行Q & P處理，制備出由仿珠光體(ghost pearlite, GP)區域和正常馬氏體(normal martensite, NM)區域的微觀組織(圖1a-c, PPQ&P130)。得益于錳元素非均質分布，GP區域馬氏體板條中幾乎不存在過渡型碳化物，而對照組NM區域則存在明顯的碳化物析出；同時，PPQ&P130試樣具有比相同淬火-配分參數下的傳統Q & P試樣(CQ&P130)更高的體積分數和碳含量（圖1d）。由此可見，非均質錳分布能夠有效抑制過渡型碳化物的析出，削弱配分階段競爭反應對碳元素的消耗，從而提高Q & P鋼利用碳原子穩定殘余奧氏體的效率。

盡管快速奧氏體化階段存在錳元素的擴散，但奧氏體化溫度較低、時間較短，導致高溫奧氏體中保留了珠光體中的非均質錳分布，錳含量自原滲碳體片層中心向原鐵素體片層中心不斷降低，形成了以原滲碳體片層為中心的“中間高兩邊低”的錳元素分布(圖2）。進一步地，由于高溫奧氏體中碳、錳元素之間的強烈相互作用，導致Q & P處理前高溫奧氏體中存在碳元素的不均勻分布，碳元素更多地富集在富錳高溫奧氏體中。同時，淬火階段的自回火過程，存在碳原子自馬氏體向奧氏體的少量擴散，因此馬氏體與奧氏體界面處存在陡峭的碳濃度梯度。由此可見，非均質高溫奧氏體中錳元素和碳元素存在強烈相互作用，限制了高溫奧氏體中碳元素的擴散，導致富錳高溫奧氏體中含有更多的碳元素，實現了碳元素向富錳區域的“預配分”(圖2）。

圖1.淬火-配分試樣微觀組織 (a)PPQ&P130試樣低倍組織, (b) PPQ&P130試樣仿珠光體(ghost pearlite, GP)區域放大圖, (c) PPQ&P130試樣正常馬氏體(normal martensite, NM)區域放大圖; (d)PQ&P130和CQ&P130試樣的XRD圖譜。

圖2. 非均質高溫奧氏體直接淬火后仿珠光體區域的APT分析：(a)碳原子的三維分布，(b)錳元素等濃度面（3.0、5.0、7.5和10.0 at.%）的三維分布，(c)沿圖b圓柱方向的一維元素分布。

與此同時，研究團隊基于鋼鐵研究總院有限公司工程用鋼研究院的材料熱力學和動力學計算技術聯合開放實驗室進行模擬計算，揭示了非均質錳分布對碳原子擴散和碳化物析出的熱力學、動力學影響機制。一方面，GP區域更高的位錯密度和相互堆疊的納米尺度片層結構，加速了碳元素向奧氏體的擴散效率，抑制了馬氏體中過渡型碳化物的析出，削弱了配分階段競爭反應對碳元素的消耗(圖3)；另一方面，GP區域馬氏體呈現碳、錳元素的貧瘠，降低了碳化物析出的形核驅動力，延緩了碳化物析出的動力學（圖4）。由此可見，貧錳馬氏體中碳化物緩慢析出與富錳奧氏體中碳元素快速富集的動力學差異，為抑制過渡碳化物的析出提供了新思路。

圖3. 非均質錳分布對配分階段碳原子擴散動力學的影響。

圖4. 非均質錳分布對配分階段碳化物析出動力學的影響。

同時，論文通過APT數據研究GP區域和NM區域的元素分布，結合對現有文獻Q&P鋼中碳含量的報道，揭示了非均質錳分布對碳配分的高效促進作用(圖5)。相應地，由于殘余奧氏體中更高的碳、錳含量，以及片層為主的形貌，PPQ&P130試樣呈現更持久的TRIP效應，導致強度和塑性得到了全面提升(圖6)。

圖5. 非均質錳分布對馬氏體碳含量和殘余奧氏體碳利用率的影響。

圖6. 非均質錳分布對淬火-配分鋼力學性能的影響。