摘    要：热机械复合成形工艺在提高双相钢综合性能方面展现出显著的应用潜力，文章围绕不同成形路径与热力参数对双相钢组织演化和成形性能的影响展开实验分析，通过系统实验分析，揭示热变形条件下奥氏体再结晶与相变演化的内在机制。在此基础上，明确微观组织特征与力学性能间的内在联系，旨在为双相钢成形工艺优化与高性能化制备提供理论支持与技术参考。

       关键词：热机械复合成形；双相钢；组织演化；成形性能

       双相钢因其优异的强塑性配合和良好的加工适应性，被广泛应用于汽车轻量化结构件的制造 。热机械复合成形工艺作为一种集变形与热处理于一体的先进技术，对材料组织调控与性能提升具有重要作用，工艺过程中热 - 力参数协同作用下的组织演化规律 ，直接决定了材料的最终性能 。研究其微观组织演变机制与宏观成形性能响应，有助于构建工艺-组织-性能的关联模型，为双相钢的高性能制造和工程应用提供技术依据与优化路径。

       1   热机械复合成形工艺参数设计

       1.1   工艺路径与变形模式选择

       热机械复合成形过程中工艺路径的选择直接影响双相钢的组织调控能力与成形精度。根据双相钢在相变温区内的组织敏感性，应在奥氏体稳定存在的温度范围内完成热变形过程，并借助多阶段控温保温策略引导组织演化方向。

       在路径设计中，顺序加载与反向加载的应力状态差异对再结晶行为和织构取向形成具有重要影响，选择多道次连续变形方式可提升等轴晶形核率并弱化加工硬化效应 。在成形模式方面，相比传统单轴压缩方式，组合压缩与拉伸的加载路径更有利于在复杂应变路径下控制位错积累与应力诱导相变行为，使最终组织呈现出更加均匀细化的结构特征，从而优化强度和塑性之间的平衡关系［1］。

       1.2   关键工艺参数的设定依据

       在热机械复合成形工艺中，温度、应变速率以及道次间隔时间是影响组织演化机制的关键参数 。成形温度决定了奥氏体的稳定性和动态再结晶的驱动力，应选取在临界再结晶温度以上，但低于 γ→α 转变起始温度的区间，以获得理想的亚稳组织状态 。应变速率直接影响形核率与晶粒生长速率之间的竞争关系，中等速率范围内易形成高密度再结晶核心，并抑制粗大晶粒生长，有利于形成细小均匀的多相组织［2］。

       道次间隔时间的控制需兼顾热导散特性与应力松弛行为，较短的间隔时间可维持高温状态并减少再加热能耗，而较长时间有助于应力释放与织构调整 。合理匹配这三类参数可构建连续的热-力-时耦合环境，使组织演变过程向细化与均匀化方向发展，并显著提升成形过程中的稳定性与最终力学性能。

       2   双相钢组织演化规律分析

       2.1   奥氏体再结晶行为特征

       在热机械复合成形中，奥氏体的动态再结晶行为受到形变温度与应变速率的显著制约，其中再结晶临界温度区间通常分布于 780~830℃,在此区间内位错密度显著上升且形变储能得以充分释放，为晶粒形核与再结晶边界迁移提供了动力来源。

       当应变速率控制在 0.1s-1~1.0s-1 范围内，奥氏体晶粒在中高温条件下发生明显细化，形成平均粒径约为6μm的等轴晶群体，此类组织形态兼具较高的形变协调能力与再结晶稳定性。

       若温度降至 750℃以下，部分区域因驱动力不足形成不完全再结晶区，表现出带状或孪晶结构保留现象，此类亚稳态结构在随后的冷却阶段将对相变路径产生诱导作用 。晶界处再结晶优先生长，且晶粒边界迁移方向受应力集中区引导，最终形成取向分布具有一致性且结构紧凑的组织形貌，在二维平面观察下呈现连续等轴状排列，反映出良好的重构能力与动态再结晶完整性［3］。

       2.2   铁素体和马氏体的相变过程

       奥氏体在冷却过程中向铁素体和马氏体转变的路径决定了双相钢最终组织的相对比例与空间分布，其中铁素体相变起始温度一般在 760℃左右，而马氏体转变起点通常低于 380℃,在不同冷却策略下两者的转变量具有显著差异。

       当冷却速率控制在 10℃/s 以下，铁素体在高温区以扩散方式形成较为完整的连续网络结构，其形核多发于原奥氏体晶界处并沿着晶内次生形核点有序扩展，使得晶粒在微观尺度上呈现清晰的层次性与方向性。而当冷却速率升高至30℃/s 以上，马氏体迅速生成并在前期铁素体骨架之间填充，板条状组织沿最大主应力方向形成层叠式排列结构，导致局部区域出现织构强化现象。

       不同区域的相变过程中存在明显的序列演化特征，先期形成的铁素体对后续马氏体生长路径起到包围与调节作用，两相之间的界面结合程度受控于冷却终温与残余应力场状态。高密度位错区域及前期变形集中带为相变诱导提供了非均匀的形核基底，造成组织在不同方向上的空间分布具有方向性差异，直接影响成形构件的各向力学性能表现［4］。

       2.3   显微组织分布及晶粒尺寸演化

       双相钢在热机械复合成形中产生的显微组织分布具有明显的区域性与结构层次差异，其晶粒尺寸从截面中心向边缘呈现出梯度演化趋势，中心区受控应变集中效应与高温持续作用晶粒得以充分细化，平均粒径维持在 5~7μm，而边缘区域因热量散失与应力松弛作用晶粒生长加快，粒径扩大至 12μm 以上，形成不对称的组织分布带。

       晶粒演化过程中，局部组织受控于初始奥氏体状态以及再结晶残余区域的残留位错密度，部分晶粒呈现出拉长状态或亚结构堆积趋势，特别在变形强度梯度显著的区域，晶界迁移路径受应力场导向发生偏转，造成组织间相界角度增加与晶粒形貌复杂化。

       多道次加载造成的热-力循环导致前期再结晶晶粒在后续热处理中重新细化，表现为晶粒尺寸分布的重新集中，并在 5~9 μm 范围内形成主峰值区间，而残留未再结晶的亚晶粒则集中在应变极限区附近，表现出明显的变形扁平结构，界面分布具有多尺度嵌套特征。此类演化趋势对成形后材料的强韧性匹配提出了结构稳定性方面的需求，进一步揭示组织控制的方向应向多尺度协同调控转变，如图 1 所示。

       3   成形性能变化与力学行为表征

       3.1   屈服强度和延伸率测试结果

       成形过程中组织结构的调整直接影响双相钢的力学性能表现，屈服强度与延伸率作为评价综合性能的核心指标，在不同热机械路径下呈现显著差异。

       以等温成形与非等温成形路径下的性能表现为例 ，两种条件下材料分别在 820℃保温 3min 后进行成形，在 0.5s-1 应变速率下冷却至室温 。等温路径下材料的屈服强度为 650MPa，断后延伸率达到 16mm，而非等温路径下屈服强度上升至 705MPa，延伸率降低至11mm，反映出强塑协同能力受组织状态调控的显著影响，如表 1 所示。

       由表 1可知，在成形路径发生变化的条件下，材料的强度与塑性表现呈现反向变化趋势 。非等温路径由于在冷却过程中促进了马氏体组织的生成，使材料的强度提高 55MPa，但由于马氏体的脆性与组织的不均匀扩展行为，断后延伸率较低，仅为 11mm。

       为了进一步验证成形路径对性能的影响规律，文章利用电子拉伸试验机对试样进行了应变速率敏感性测试 。结果显示，在 0.1s-1~1.0s-1 范围内，屈服强度呈现出明显的应变速率强化效应，增幅约为7%~12%，表明材料在高应变速率条件下的位错积累速率更高，马氏体区域的屈服迟滞效应被显著削弱。

       显微硬度测试结果显示，非等温路径样品的界面区域硬度可达 410HV，而等温路径仅为 355HV，差异主要来源于相界处残余应力场的分布差异 。组织分析发现，非等温样品中的马氏体板条厚度较薄，平均宽度约为 0.6μm，铁素体界面处形成了细密的高角度晶界网格，有助于应力传递与裂纹偏折。

       上述结构特征共同作用于提升强度但抑制延伸率。根据 Hollomon 本构方程拟合结果，非等温样品的应变硬化指数 n 为 0.196，高于等温样品的 0.164，说明其加工硬化能力更强但塑性储备较低，印证了组织细化强化与脆性增强的并存效应。

       3.2   成形极限与应变分布分析

       成形极限用于评估双相钢在复杂加载路径下的失稳行为，其变化与应变分布密切相关 。依据平面应变状态下的成形极限试验，材料在 800℃成形条件下最大均匀应变达到 0.28，而在 720℃条件下降至 0.19，反映出高温状态下更有利于维持形变稳定性。

       应变场分布表现出明显的非均匀扩展趋势，在拉应力主导区形成连续应变带，带宽约为 6mm，集中于试样中部区域 。在成形边界区域由于摩擦条件与温降作用，应变衰减明显，仅为中心区的 60%左右 。不同温度条件下的应变分布对裂纹初始位置与拓展路径起决定性作用，局部应变梯度大于0.12 的区域为潜在裂纹萌生点，其形貌多呈纵向延展，反映出材料在加载路径变化过程中的抗局部失稳能力随组织差异发生变化。

       为揭示成形温度与局部应变集中之间的定量关系，对试样表面进行数字散斑相关法（DIC）分析，结果显示在 800℃成形条件下的应变分布云图中，主应变方向呈椭圆环带状分布，局部峰值应变集中在板材中轴线两侧约 4mm 处，说明材料在受控温场下具有较好的塑性扩散特性 。有限元热-力耦合模拟结果进一步表明，当成形温度降至 720℃以下时，局部热梯度导致应变率集中区面积增大约 32%，裂纹萌生风险指数提升至 1.47 倍。

       通过对比不同应变路径下的位错密度分布，可以看出高温条件下的动态回复作用明显，位错密度峰值下降约 18%，降低了微裂纹成核概率 。相反，在低温区应变累积速率加快，组织呈现多尺度亚晶嵌套结构，局部应变不均性增强，导致载荷转移能力减弱。

       由此可见，温度与应变速率的耦合作用是控制材料成形极限的重要参数，应通过精确控制加热速率和冷却速率来维持热应力场的均匀分布，以实现更高的成形稳定性与抗失稳性能。

       3.3   组织性能关系的定量关联

       在热机械复合成形过程中，组织参数与力学性能之间存在明确的定量耦合关系。以平均晶粒尺寸与屈服强度为例，晶粒尺寸由 11μm 细化至 6μm 时，屈服强度提升区间为 580MPa 至 715MPa，强度增量达到 135MPa。该变化主要归因于细化晶粒结构在加载过程中提升了位错积累密度，从而推迟屈服起始阶段的滑移行为。

       再以铁素体体积分布对延伸性能的影响分析，当组织中铁素体主导区域维持在晶粒尺寸 8μm 左右时，其断裂位移可达 15mm 以上，而当铁素体颗粒被马氏体相包围时，延伸性能降至 10mm 以下 。通过结构参数拟合分析，屈服强度与晶粒尺寸之间满足近似反比关系，拟合公式中屈服强度 σ 与晶粒直径 d 之间关系如式（1），式中 B 值取决于材料中的位错强化机制与晶界数量［5］。

       为进一步建立组织参数与力学性能间的定量映射关系，采用多元线性回归模型将晶粒尺寸、相比例及界面密度纳入综合评价体系，回归方程结果显示，屈服强度与晶界面积分布率呈正相关（R2=0.92），而与铁素体体积分数呈负相关（R2=0.86）。在组织分布优化后，样品表现出更优的强塑协调性，其强度-延伸率积（PSE）值由原始的 9.8×103MPa·%提升至 11.3×103MPa·%，说明双相结构的协同变形能力得到增强。

       电子背散射衍射（EBSD）分析进一步验证了这一规律：低 Σ 晶界比例的样品中，位错滑移受限导致屈服起始滞后，而高 Σ 晶界比例区域的再结晶组织，在拉伸中表现出更好的塑性回复能力 。界面能密度的增加促进了晶粒滑移系的激活，使屈服后均匀变形阶段延长约 8%。这些结果表明，在热机械复合成形过程中，强度与塑性的协调优化可通过多尺度组织参数调控实现，为后续建立微观组织演化与宏观性能预测模型提供了理论依据。

       4   结   语

       文章围绕热机械复合成形工艺对双相钢组织演化与成形性能的影响展开系统分析，明确变形路径与热力参数对再结晶行为和相变过程的调控作用，揭示晶粒结构与力学性能之间的定量关系，组织优化策略与加载条件匹配为双相钢成形提供了理论支持与参数基础，对提升其工程应用中的性能稳定性和成形精度具有指导意义。

参考文献

［1］袁尚勇.电火花机械复合修整粗粒度成形砂轮试验研究［D］.长沙：湖南大学，2023.

［2］岳劲松.先进高强双相钢网状异构组织的调控及强化机理研究［D］.昆明：昆明理工大学，2023.

［3］柯迪文.DP590 双相钢差厚板退火工艺与组织性能研究［D］.沈阳：东北大学，2022.

［4］林娴 .碳素双相钢多道次热轧显微组织演化的模拟研究［D］.南京：东南大学，2022.

［5］叶志强.DP590 异构双相钢微观组织演化及变形机理研究［D］.南京：南京理工大学，2022.