在鋼鐵材料的加工與性能研究中，帶狀組織作為一種常見的顯微組織形態(tài)，引起了廣泛關注。帶狀組織表現(xiàn)為鐵素體、珠光體或馬氏體等相沿軋制方向呈帶狀排列，在制造過程中與材料的力學性能密切相關。由于其對材料垂直于軋制方向力學性能的負面影響，通常被視為一種不利的顯微組織。學者通過大量實驗揭示了帶狀組織的形成與多種因素密切關系，尤其是合金元素在凝固過程中的偏析現(xiàn)象。 Haida等和Krauss等研究發(fā)現(xiàn)，鋼液在凝固過程中呈現(xiàn)枝晶生長模式。隨著溫度的下降，合金元素如錳（Mn）、鉻（Cr）、硅（Si）、磷（P）等在枝晶間區(qū)域與枝晶干區(qū)域的分布差異顯著，導致枝晶間區(qū)域合金元素的富集與枝晶干區(qū)域的貧化，進而形成枝晶間的微觀偏析。這種偏析在隨后的熱加工過程中，尤其是在高溫軋制變形階段，會沿軋制方向形成合金元素的偏析帶，并對冷卻過程中奧氏體的相變產(chǎn)生影響。錳元素的偏析是帶狀組織形成的核心因素，錳通過降低奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的Ar3溫度，使得富Mn區(qū)域的奧氏體穩(wěn)定性增加，導致貧Mn區(qū)域的先共析鐵素體優(yōu)先形核。在鐵素體晶粒的生長過程中，晶粒相互碰撞并連接，最終形成帶狀組織。
然而，帶狀組織的形成并非不可逆，通過有效的工藝控制，尤其是高溫均勻化處理、奧氏體晶粒尺寸的調(diào)控以及冷卻速率的優(yōu)化等手段，可以顯著抑制帶狀組織的形成。Wang等的研究表明，在1200℃下保溫3h后，鑄坯中的Cr元素聚集區(qū)增大，但是合金元素的偏析指數(shù)下降，熱軋樣品中不再形成帶狀組織，進一步證明了均勻化處理在抑制帶狀組織方面的關鍵作用。研究發(fā)現(xiàn)，較快的冷卻速率會限制鐵素體生長界面的遷移，碳原子擴散不足，使珠光體無法形成連續(xù)帶狀結構，而是以零散形式析出。此外，較高的冷卻速率還可能促使奧氏組織的形成，碳元素擴散方向無序，進一步抑制帶狀組織的生成。Zhao等在研究中指出，當奧氏體晶粒尺寸大于元素偏析帶寬度的2~3倍時，帶狀組織的形成會受到顯著抑制。
目前，關于帶狀組織形成機制和影響因素的研究已取得一定進展，尤其是兩相區(qū)相變與帶狀組織演變之間的關系，以及結合均勻化時間和慢冷速對帶狀組織形成的影響方面，研究仍顯不足。因此，文中通過緩冷實驗，探討兩相區(qū)帶狀組織的演變規(guī)律，分析冷卻速率和均勻化時間對帶狀組織形成的影響，研究帶狀組織的形成機理，并為材料工藝的優(yōu)化提供理論依據(jù)。
PART 1實驗材料與方法
試驗鋼的化學成分如表1所示。首先，通過真空熔煉和鑄造得到初始尺寸為200mm×120mm×60mm的鋼錠。將鋼錠加熱至1150℃并保溫2h，隨后進行5道次高溫軋制，最終得到厚度為4mm的熱軋板，變形量約為93%。軋制完成后，試樣在空氣中冷卻，并用鹽酸酸洗去除表面氧化物。從熱軋板中間部分截取2組試樣：一組保持原始熱軋態(tài)，標記為R；另一組在氮氣保護下進行均勻化處理，加熱至1200℃后分別保溫1h、2h和4h淬火至室溫，以促進碳和其他溶質(zhì)元素的均勻擴散，標記為1H、2H 和4H。對2組試樣進行相同的緩冷實驗，具體工藝流程如圖1所示，分別標記為RTv、1HTv、2HTv 和4HTv，其中T 表示緩冷實驗中的淬火溫度，v表示緩冷實驗的冷卻速率。
將試樣沿垂直軋制方向切割后，經(jīng)過鑲嵌、機械研磨和拋光處理，使用5%硝酸酒精溶液進行腐蝕。利用VHX-7000N 光學顯微鏡（optical microscopy, OM）觀察顯微組織、計算平均鐵素體條帶寬度及500×放大倍數(shù)下顯微組織圖中貫穿視場的平均鐵素體條帶數(shù)目，并通過Image Pro Plus 6.0 軟件計算先共析鐵素體的相比例。使用JEOL JXA-8500F 型電子探針顯微分析儀（electron probe micro-analyzer, EPMA），加速電壓為20kV，聚焦探頭內(nèi)束流為3×10-8A，掃描步長為1μm，測試試樣的溶質(zhì)元素分布情況。使用DIL805A 熱膨脹儀測定R 和1H 試樣在緩冷實驗中的膨脹率，獲得0.05℃/s 冷卻速率下的熱膨脹曲線，通過切線法確定相變溫度。試驗在真空環(huán)境下進行，參照《鋼的臨界點測定方法(膨脹法)》標準（YB/T5127—2018）。試樣以0.4℃/s 加熱至950℃奧氏體化，保溫5 min，再以0.05℃/s 的冷速冷卻至室溫。
PART 2結果與討論
2.1 緩冷實驗中帶狀組織的形成規(guī)律
圖2是熱軋和均勻化1h試樣在0.05℃/s 冷速的緩冷實驗中冷卻至不同溫度淬火后的顯微組織。淬火溫度高于或等于670℃時，圖中白色區(qū)域為鐵素體，黑色區(qū)域為馬氏體；淬火溫度低于或等于630℃時，黑色區(qū)域為珠光體組織。實驗結果表明，淬火溫度為750℃時，開始出現(xiàn)少量鐵素體；隨著淬火溫度降低，帶狀組織逐漸增多，鐵素體條帶寬度增加；當淬火溫度低于630℃后，帶狀組織趨于穩(wěn)定。其中，平均鐵素體條帶寬度值隨淬火溫度變化如表2所示。
通過DIL 805A熱膨脹儀測定R和1H試樣在0.05℃/s 冷速的緩冷實驗中相變溫度相近，其中Ar3約為750℃，Ar1約為632℃。圖3展示了部分顯微組織和先共析鐵素體相比例曲線，結果表明，隨著淬火溫度降低，先共析鐵素體相比例逐漸增加。結合圖2的顯微組織圖和相變溫度分析發(fā)現(xiàn)，當淬火溫度高于Ar3時，2組試樣均未出現(xiàn)帶狀組織；在Ar3臨界溫度附近，開始出現(xiàn)少量先共析鐵素體組織；在Ar1~Ar3兩相區(qū)溫度內(nèi)淬火后，先共析鐵素體與馬氏體呈交替條帶狀分布，條帶特征隨淬火溫度降低而更加顯著；當淬火溫度低于Ar1后，帶狀組織趨于穩(wěn)定。由此可見，帶狀組織主要發(fā)生在兩相區(qū)溫度范圍內(nèi)，其條帶特征與先共析鐵素體的形核、長大密切相關。
2.2 均勻化時間對帶狀組織形成的影響
采用EPMA對熱軋和均勻化處理1h、2h、4h后的試樣，在緩冷實驗前進行面掃描分析，結果表明，除Mn元素外，其他溶質(zhì)元素分布較為均勻，且均勻化處理后碳元素擴散均勻。圖4展示了緩冷實驗前試樣的Mn元素分布情況，定性分析顯示熱軋試樣存在明顯的Mn元素偏析，呈條帶狀分布，偏析帶寬度約為15.63μm。
經(jīng)均勻化處理1h后，試樣的Mn元素偏析帶仍然存在，但偏析程度減弱，偏析帶數(shù)量減少，寬度增加至36.34μm。當均勻化時間延長至2h以上時，試樣中未發(fā)現(xiàn)明顯的Mn 元素偏析現(xiàn)象。圖5展示了熱軋及均勻化1h、2h、4h試樣以0.05℃/s冷速冷卻至670℃淬火后的顯微組織，主要由鐵素體和馬氏體組成。對比顯微組織分布特征發(fā)現(xiàn)，熱軋試樣在緩冷實驗后形成明顯的帶狀組織，條帶連續(xù)性好；均勻化1h試樣在緩冷實驗后，同樣呈現(xiàn)帶狀組織，但其條帶寬度顯著增加，且馬氏體條帶內(nèi)部出現(xiàn)少量鐵素體，條帶特征明顯減弱。隨著均勻化時間延長，緩冷實驗后的帶狀結構特征逐漸減弱：均勻化2h后，帶狀組織幾乎消失，僅殘留少量不連續(xù)條帶；當均勻化時間達到4h時，試樣的顯微組織呈現(xiàn)出均勻分布的鐵素體和馬氏體，帶狀結構完全消除。表明均勻化處理通過減弱Mn元素偏析，顯著抑制了帶狀組織的形成，且均勻化時間越長，抑制效果越顯著。
結合圖4的EPMA面掃描結果分析，Mn元素偏析對帶狀組織的形成和分布狀態(tài)具有決定性作用。首先，熱軋試樣中存在明顯的Mn元素偏析，由于Mn元素會降低奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的Ar3溫度，富Mn區(qū)域的奧氏體穩(wěn)定性增強，導致貧Mn區(qū)域先共析鐵素體優(yōu)先形核。在平行于偏析帶方向上，先共析鐵素體晶粒在低錳區(qū)形核并長大，相互碰撞、連接形成條帶；在垂直于偏析帶方向上，當鐵素體/奧氏體界面遷移至貧、富溶質(zhì)區(qū)之間的化學界面或碳含量達到平衡濃度時，鐵素體停止生長，最終形成鐵素體與馬氏體/珠光體交替分布的帶狀組織。其次，當試樣經(jīng)過1h均勻化處理后，碳元素擴散均勻，Mn元素偏析有所減弱，但偏析帶仍未完全消除。因此，在隨后的緩冷實驗（0.05℃/s）中，顯微組織仍呈現(xiàn)條帶狀分布，但是條帶特征減弱。
同時，由于貧、富溶質(zhì)區(qū)之間的化學界面阻礙作用減弱，先共析鐵素體能夠更充分形核和長大，導致帶狀組織寬度增加。隨著均勻化時間延長至2h 及以上，元素偏析進一步減弱，直至殘留的少量偏析不足以影響組織形成條帶結構，先共析鐵素體在試樣內(nèi)部均勻形核和長大，形成鐵素體和馬氏體/珠光體均勻分布的顯微組織，帶狀結構逐漸消失。
2.3 冷卻速率對帶狀組織形成的影響
通過對均勻化試樣進行不同冷速的緩冷實驗，分析冷卻速率對帶狀組織形成的影響。圖6所示為均勻化2h試樣分別以0.05℃/s和0.02℃/s冷速冷卻到710℃后淬火至室溫的顯微組織。實驗結果表明，經(jīng)過2h均勻化處理的試樣，在0.05℃/s 冷速的緩冷實驗后，帶狀組織完全消失，顯微組織呈現(xiàn)出幾乎均勻分布的鐵素體和馬氏體。然而，試樣以0.02℃/s冷速進行緩冷實驗后，帶狀組織重新出現(xiàn)且條帶結構明顯。
研究發(fā)現(xiàn)，在緩冷實驗中，冷卻速率降低導致帶狀組織的程度加劇。在0.02℃/s冷速的緩冷實驗中，盡管均勻化處理2h有效減弱了試樣中Mn元素的偏析，但是殘留的少量元素偏析影響先共析鐵素體的形核區(qū)域，使其優(yōu)先在貧Mn 區(qū)域形核，由于冷卻速率降低導致緩冷時間增加，促使先共析鐵素體能夠充分形核、長大。同時，Mn元素在先共析鐵素體形核、長大過程中由于化學勢的影響被持續(xù)配分到未轉(zhuǎn)變的奧氏體區(qū)域，極慢冷速延長了這一過程，加劇了剩余奧氏體中Mn元素的富集，富Mn區(qū)域的奧氏體穩(wěn)定性更高，相變滯后，導致貧Mn區(qū)域的先共析鐵素體充分長大，進一步放大組織差異，使帶狀組織重新出現(xiàn)。
通過對緩冷實驗后的顯微組織進行統(tǒng)計，計算其貫穿視場（500×）的平均鐵素體條帶數(shù)目。條帶數(shù)目越多表明帶狀特征越明顯，分析均勻化時間和冷卻速率對帶狀組織形成的影響，如圖7所示。結果表明，隨著緩冷實驗中的冷卻溫度降低，鐵素體條帶數(shù)目增加，帶狀特征增強。其次，隨著均勻化時間的延長，緩冷實驗后鐵素體的條帶數(shù)目減少，帶狀特征減弱，甚至使其完全消失。當冷卻速率降低時，帶狀組織重新出現(xiàn)，條帶數(shù)目增多。這表明冷卻速率顯著影響了均勻化處理對帶狀組織形成的抑制作用，冷卻速率越低，均勻化的抑制作用越弱，反之則越強。
PART 3結論
通過對熱軋和均勻化1h、2h、4h試樣進行不同冷速的緩冷實驗，分析了帶狀組織的形成機理及其影響因素。實驗結果表明，帶狀組織的形成主要受冷卻溫度、Mn元素偏析和冷卻速率的共同調(diào)控。主要結論如下：
1）帶狀組織的形成發(fā)生在兩相區(qū)溫度范圍內(nèi)，Ar3溫度以下先共析鐵素體呈條帶狀分布發(fā)生局部形核、長大，條帶特征隨冷卻溫度降低而增加。
2）均勻化處理減少Mn元素偏析，導致均勻化1h試樣在緩冷實驗（0.05℃/s）后，帶狀特征減弱，條帶寬度增加；而均勻化2h及以上試樣在緩冷實驗（0.05℃/s）后，帶狀組織逐漸消失。
3）均勻化2h試樣在0.05℃/s冷速的緩冷實驗中，帶狀組織被顯著抑制，甚至完全消失；而在0.02℃/s冷速的緩冷實驗中，帶狀組織重新出現(xiàn)。
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