近年來，先進鋼鐵材料的組織調控為汽車輕量化、節能減排和性能提升的實現提供了可能，其核心理念之一是對亞穩奧氏體進行調控。例如中錳鋼和相變誘導塑性(TRIP)鋼主要是利用臨界退火工藝調控逆轉變奧氏體中的元素分配和組織形貌[1,2]；淬火配分(Q&P)鋼主要是通過配分過程，C元素向奧氏體中擴散來調控奧氏體穩定性[3~5]。奧氏體穩定性包括機械穩定性[6]及熱穩定性[7~12]，大量的研究已經為亞穩奧氏體穩定性的調控積累了系統性的經驗。基于馬氏體相變的亞穩奧氏體調控是組織調控的重要手段之一[13~16]。因此，探究馬氏體相變機理是先進鋼鐵材料研發的關鍵。馬氏體相變主要受外部因素如磁場[17,18]、應力場[19~22]等，內部因素如晶粒尺寸[23,24]、化學成分[25,26]等的影響，其中，通過考慮外場因素(磁場)和內部因素(晶粒尺寸)的協同作用來調控馬氏體相變，以其高效、易操作等優點值得深入研究。

相變動力學作為溫度誘發馬氏體轉變的重要方面，主要包括馬氏體開始轉變溫度(Ms)、相變速率及最終轉變量。Kakeshita等[17,18,27]發現在Fe-Ni合金體系中強磁場作用明顯提升Ms，其作用機制歸因于奧氏體相和馬氏體相原子磁矩不同而引起的磁化能差異。同時關于晶粒尺寸對Ms的影響研究[28,29]顯示，晶粒尺寸越小，Ms越低。晶粒尺寸影響Ms機理方面，從相變形核角度出發，王金亮等[22,30]觀察到奧氏體晶粒內層錯束及預變形引入的位錯缺陷等均可為馬氏體相變提供有效的形核質點。晶粒尺寸越大，降溫過程中缺陷奧氏體越容易形成，馬氏體相變的形核質點越多，Ms越高。從相變能量角度出發，Umemoto和Owen[31]認為奧氏體晶粒尺寸越小，晶內形成的馬氏體板條對周圍奧氏體的應力集中越大，相變阻力越大；而Brofman等[24]認為小的奧氏體晶粒本身基體強度高，限制了馬氏體相變的應變協調，增加了相變阻力。目前關于晶粒尺寸如何影響馬氏體相變的熱穩定性尚無定論。

相變速率也是反映材料相變過程的重要特征。Martin等[32]研究結果表明，馬氏體時效鋼施加30 T的強磁場時，等溫馬氏體的形成可以加速幾個數量級。進一步，Choi等[33]對磁場如何加速馬氏體相變進行了研究，結果表明，對于γ→α'-馬氏體相變過程，磁場強度增加，馬氏體相變能壘降低，相變加快；而對于γ→ε-馬氏體→α'-馬氏體相變過程，磁場強度增加，馬氏體形核的臨界板條尺寸減小，相變加快。晶粒尺寸對相變速率影響方面，Celada-Casero等[34]研究認為，馬氏體相變速率受過冷度影響顯著，在14~185 μm范圍內，晶粒尺寸較小時，小的過冷度下更容易達到最大的相變速率，且晶粒尺寸越小，相變速率越快。

最終轉變量是表征馬氏體相變特征的另一重要依據。Kakeshita等[17]研究結果表明，磁場作用為α'-馬氏體提供了有效的形核質點，增加了最終馬氏體的轉變量。Shibata等[35]和Shimozono等[36]在SUS304L不銹鋼體系中得到了相同的結論。如前所述，晶粒尺寸影響奧氏體穩定性進而影響馬氏體轉變量，Takaki等[37]在Fe-Cr-Ni三元合金體系和Matsuoka等[23]在Fe-16%Cr-10%Ni合金體系中也得到了證實。

綜上，磁場及晶粒尺寸對馬氏體相變影響的表象規律研究已較為全面，但磁場及晶粒尺寸的協同作用對馬氏體相變機制的研究較少，現階段不足以有效為調控材料組織提供理論基礎。

相變晶體學特征也是影響馬氏體相變的另一重要方面。在低層錯能材料中兩步切變型相變，α′-馬氏體可以通過生成中間相ε-馬氏體進一步完成轉變，奧氏體與α′-馬氏體之間存在Kurdjumov-Sachs (K-S)位向關系[38]，奧氏體與ε-馬氏體之間存在Shoji-Nishiyama (S-N)位相關系[39,40]，所以一個奧氏體晶粒最多能形成4種ε-馬氏體變體和對應的24種α′-馬氏體變體[41]。Wu等[42]研究結果表明，在一個馬氏體板條內，隨著C含量的增加，臨近的板條簇之間由小角度晶界為主導的晶體學關系轉變為大角度晶界為主導的孿生關系。Inoue等[43]則探究了板條群內馬氏體變體的種類，結果表明在一個板條群內僅會出現少數馬氏體變體，馬氏體轉變出現了變體選擇現象。可見，目前科研人員對馬氏體相變的晶體學特征有較清晰的認識。然而，磁場和晶粒尺寸的協同作用對馬氏體相變晶體學特征的影響，還需進一步深入探究。

綜上分析，磁場和晶粒尺寸作為影響馬氏體相變行為的重要因素，目前研究只給出了磁場或晶粒尺寸單獨作用下對馬氏體相變的影響，并未給出在連續降溫過程中，磁場和晶粒尺寸共同作用對相變動力學及晶體學特征的影響及其作用機制。本工作選擇SUS321奧氏體不銹鋼為研究的基礎材料，主要是因其室溫下組織較為穩定，不容易發生馬氏體轉變，同時，在連續冷卻過程中，馬氏體相變不完全，不完全的馬氏體相變為研究除溫度影響外，磁場和晶粒尺寸對馬氏體相變過程的影響提供了可能。所以該合金體系用于研究磁場作用以及不同晶粒尺寸奧氏體馬氏體相變行為較合適。本工作系統研究了磁場和晶粒尺寸協同作用下的馬氏體相變行為，詳細分析了磁場作用下γ→ε-馬氏體→α′-馬氏體的相變機制，完善了磁場和晶粒尺寸這2個內外場共同作用下馬氏體相變理論，為磁場作用下溫度誘發馬氏體相變主動調控提供理論指導。

實驗選用SUS321奧氏體不銹鋼作為基礎材料，其化學成分(質量分數，%)為：Cr 17.6，Ni 9.22，C 0.015，Si 0.52，Mn 1.23，Ti 0.088，Fe余量。鋼的制備過程如下：(1) 將鑄坯鋼錠隨爐加熱至1473 K，保溫2 h后開始鍛造，鍛造成橫截面尺寸為20 mm × 50 mm的鍛坯；(2) 將鍛坯加熱到1473 K保溫2 h后在熱軋機上將鍛坯從20 mm軋到4.0 mm，軋后空冷至室溫；(3) 將熱軋板放置在Ar氣環境中加熱到1323 K保溫5 h進行固溶處理，隨后空冷至室溫。

為了獲得3組不同晶粒尺寸的SUS321不銹鋼，采用大軋制變形結合不同的退火溫度進行調控。首先，對固溶處理的熱軋板進行多道次冷軋，初始4 mm軋至2 mm；再對2 mm厚的冷軋板做不同溫度的退火處理，退火溫度分別為1073、1173和1473 K，退火時間均為30 min，隨后空冷至室溫。利用BX53MRF光學顯微鏡(OM)對試樣進行組織觀察，結果如圖1所示。利用國標GB/T 6394-2002金屬平均晶粒度測定方法中的截點法統計奧氏體的晶粒尺寸。統計結果顯示，冷軋板經1073、1173和1473 K退火30 min后，奧氏體平均晶粒尺寸分別為6.6、29.3和203 μm。

從3組退火態的SUS321不銹鋼材料上制取7 mm × 3 mm × 2 mm的矩形試樣，進行磁場環境+連續冷卻過程的觀察實驗，利用Quantum Design PPMS-9綜合物性測量系統(PPMS)為實驗材料提供1和9 T磁場環境，對試樣進行連續冷卻處理，降溫速率為5 K/min，處理溫度為300~4 K。在冷卻過程中，利用PPMS實時監控材料磁化強度變化。磁化強度的強弱取決于材料中鐵磁性物質(α′-馬氏體)的含量，可通過式(1)建立磁化強度與材料中α′-馬氏體含量之間定量表達：

式中，${?}_{{?}^{\mathrm{\text{'}}}}$表示α′-馬氏體的體積分數，Is為飽和磁化強度；Is*為300 K下全馬氏體的飽和磁化強度。

室溫下對SUS321奧氏體不銹鋼進行88.3%壓下量的冷軋處理，利用XRD計算冷軋處理的試樣α′-馬氏體的含量為99.9%，故可認為組織為全馬氏體。以全馬氏體對應的飽和磁化強度為基準計算不同馬氏體轉變量。隨后利用PPMS測試冷軋變形后試樣，得到室溫下全馬氏體的飽和磁化強度為131.76 emu/g，即Is*= 131.76 emu/g。

采用配備了Instrument Symmetry電子背散射衍射(EBSD)系統的Gemini SEM 300場發射掃描電鏡(SEM)對樣品進行顯微組織觀察及晶體學分析，使用其電子通道襯度成像(ECCI)進行組織分析。EBSD的加速電壓為20 kV，工作距離16 mm，掃描步長100 nm。

圖2給出了外加磁場作用下，不同晶粒尺寸的SUS321不銹鋼由300 K冷卻至4 K時，材料相變的動力學過程。馬氏體相變過程均出現3個階段：高溫段的穩定期、中溫段的相變期和低溫段的飽和期。所以轉變過程中，Ms、相變速率和最終α′-馬氏體的相變量均是表征馬氏體相變的重要參數。從圖2可以看出，在1 T磁場作用下，不同晶粒尺寸的SUS321不銹鋼隨溫度降低，均發生馬氏體轉變，呈現出3個相變階段。當晶粒尺寸由6.6 μm增大到203 μm時，Ms點由167 K升高至240 K，α′-馬氏體的含量由2.8%增加到15.2%，Ms、相變速率和相變至穩定階段后的馬氏體含量均隨著晶粒尺寸的增加而增加。Celada-Casero等[34,44]研究了Fe-0.2C-3.5Mn-1.5Si-0.5Mo合金體系下晶粒尺寸對馬氏體相變行為的影響，結果也表明晶粒尺寸越小，馬氏體晶核數量越少，奧氏體強度越高，進而導致Ms降低，相變速率減慢。從更微觀的角度分析，晶粒尺寸影響晶粒內缺陷奧氏體的形成[45]，而缺陷奧氏體為馬氏體相變提供形核質點，大晶粒尺寸奧氏體更容易形成缺陷奧氏體，故導致在降溫過程中大晶粒尺寸材料形成了更多的α′-馬氏體。

對比弱磁場作用，在9 T磁場作用下，晶粒尺寸顯著影響馬氏體相變行為，包括Ms、相變速率和馬氏體相變量。當晶粒尺寸由6.6 μm增至29.3 μm時，Ms點由169 K升高至219 K，α′-馬氏體的含量由4.7%增加到20.8%。隨著晶粒尺寸的增加，Ms、α′-馬氏體的含量增加。然而，當晶粒尺寸繼續增大至203 μm時，材料Ms點升高幅度明顯減小，α′-馬氏體的含量略微降低僅為18.2%。以上結果表明，施加1和9 T磁場顯著影響不同晶粒尺寸的SUS321奧氏體鋼的馬氏體相變行為。在強磁場作用下，當晶粒尺寸處于6.6~29.3 μm時，磁場極大促進了馬氏體相變，對Ms增幅、α′-馬氏體的含量影響顯著。當晶粒尺寸繼續增大時，磁場對馬氏體轉變影響減弱。

如前所述，溫度誘發馬氏體相變動力學過程的3個重要特征分別為：Ms、相變動力學和最終相變量。通過以上對比分析可知，晶粒尺寸顯著影響馬氏體相變動力學。隨著晶粒尺寸的增加，亞穩奧氏體熱穩定性逐漸降低，使得馬氏體相變更容易發生，具體表現為Ms升高，轉變速率加快，最終轉變量增加。而強磁場作用下，晶粒尺寸影響馬氏體相變行為不同于弱磁作用，在冷卻過程中，強磁場作用下，存在臨界晶粒尺寸，在此臨界晶粒尺寸下，奧氏體穩定性最差，馬氏體相變最容易進行。超過臨界晶粒尺寸后，磁場作用對Ms、相變速率和最終相變量的影響減弱。這可能是由于晶粒尺寸增大，ε變體的各向異性逐漸轉變為各向同性，各向同性ε-馬氏體的形核質點長大過程中加速了變體之間的硬碰撞，使得晶粒尺寸較大時，馬氏體相變受到抑制[46]。相變動力學曲線從宏觀現象分析了磁場和晶粒尺寸共同作用對馬氏體相變的影響，但是無法給出如何影響相變的微觀本質。因此，進一步利用EBSD技術對相變后的晶體結構進行分析。

圖3給出了施加1和9 T磁場作用下，SUS321不銹鋼連續冷卻處理后的EBSD觀察結果。圖中藍色代表奧氏體，黃色代表ε-馬氏體，紅色代表α′-馬氏體。圖示結果顯示奧氏體的顯微組織為等軸狀。

從圖3a可以看出，1 T磁場作用下，晶粒尺寸為6.6 μm的試樣進行連續冷卻處理后，組織為奧氏體及少量的α′-馬氏體；而在9 T磁場作用下，如圖3b所示，試樣中出現了ε-馬氏體和較多的α′-馬氏體。磁場作用增加了最終馬氏體轉變量，這從顯微組織的角度印證了磁場作用的原因。增加奧氏體晶粒尺寸至29.3 μm，相比1 T磁場作用，9 T強磁場作用下，ε-馬氏體含量明顯增多，如圖3c和d所示。晶粒尺寸繼續增大至203 μm，9 T強磁場作用下，ε-馬氏體含量和α′-馬氏體較1 T磁場情況下增多，這說明強磁場(9 T)對3種晶粒尺寸的奧氏體馬氏體相變均起促進作用，促進了γ→ε-馬氏體相變過程，形成更多的中間態ε-馬氏體，為α'-馬氏體相變提供形核質點。對于形變誘發馬氏體和溫度誘發馬氏體的形核研究，前期的研究結果[47,48]指出馬氏體相變一般會在奧氏體組織的缺陷處形核，此缺陷可以是預先存在于奧氏體晶粒內部的缺陷也可以是在溫度場或應力場作用下新形成的缺陷。材料在連續冷卻過程中或施加應力場的環境下，促進了材料內部缺陷的產生，而缺陷的產生為中間態ε-馬氏體提供了更多的形核質點[30]。通過以上分析，磁場作用也可以為ε-馬氏體提供有效的形核質點。這說明，磁場環境與低溫或者應力場相似，均能為ε-馬氏體提供有效的形核質點，促進相變的進行，從相變機理方面進一步完善了先前研究人員提出的磁場加速馬氏體相變的表象研究結果。

在低碳鋼的同一晶粒中，馬氏體是以板條束的形式存在。由于馬氏體相變為共格切變過程，新舊相之間的晶體學關系是研究馬氏體相變機理的一個重要特征，有助于馬氏體相變過程的調控。利用EBSD結合ECCI技術進一步分析在γ→ε-馬氏體→α′-馬氏體相變路徑下，ε-馬氏體和α′-馬氏體的晶體學特征。圖4給出了試樣在9 T磁場作用下，晶粒尺寸為29.3 μm的奧氏體連續冷卻處理后ε-馬氏體的反極圖(IPF)，晶體取向平行于試樣的Z軸。可以看出，同一個板條上形成的ε-馬氏體具有相同的顏色，表明生成的ε-馬氏體變體取向相同。此外，在同一個晶粒內相互平行的ε-馬氏體同樣具有相同的取向顏色，如黑色方框位置所示。這表明在一個奧氏體晶粒內部，同一個板條及相互平行的板條內部的ε-馬氏體取向相同，均屬于同一個變體。

通過上述分析，相互平行的板條具有相同的取向，不平行的板條具有不同的取向，且在同一個晶粒中相互碰撞相交。圖5給出了磁場環境下經連續冷卻處理后，不同晶粒尺寸試樣的顯微組織ECCI圖。如圖5a和b紅色線段所示，1和9 T磁場作用下，材料晶粒尺寸為6.6 μm時一個晶粒內均只有1個方向的packet，即有1種ε-馬氏體變體；晶粒尺寸為29.3 μm時一個晶粒內有2個方向的packet，即有2種ε-馬氏體變體(圖5c和d中紅色和藍色線段所示)；晶粒尺寸為203 μm時，一個晶粒內有3~4個方向的packet，即有3~4種ε-馬氏體變體，如圖5e和f所示。以上結果表明磁場作用下，在連續冷卻處理過程中ε-馬氏體的形成具有強烈的變體選擇。ε-馬氏體的變體選擇對晶粒尺寸的敏感性較高，而磁場影響不顯著。晶粒尺寸越大，ε-馬氏體的變體選擇越弱，傾向于4個ε-馬氏體變體全部生成。晶粒尺寸決定了ε-馬氏體的變體種類，進而影響了α′-馬氏體的變體選擇情況。

進一步分析磁場作用下，晶粒尺寸對溫度誘發α′-馬氏體晶體學特征的影響，尤其是相變過程中變體選擇的影響。圖6給出了1和9 T磁場作用下，不同晶粒尺寸的試樣顯微組織中α′-馬氏體的晶體學特征。可以看出，同一個ε-馬氏體條帶上出現了多種塊狀α′-馬氏體變體。不同取向顏色代表塊狀α′-馬氏體呈現出不同的取向分布。在γ→ε-馬氏體→α′-馬氏體相變路徑下，ε-馬氏體為α′-馬氏體提供了有效形核質點。當相變過程中有ε-馬氏體出現時，母相奧氏體與ε-馬氏體間符合S-N取向關系，即{111}γ//{0002}?，<$\mathrm{1}\overline{\mathrm{1}}\mathrm{0}$>γ// <$\mathrm{1}\overline{\mathrm{1}}\mathrm{20}$>?，ε-馬氏體與α′-馬氏體之間符合Burgers取向關系，即{0002}?//{011}α′，<$\mathrm{1}\overline{\mathrm{1}}\mathrm{20}$>?// <$\mathrm{1}\overline{\mathrm{1}}\mathrm{1}$>α′。根據晶面和晶向的對應關系，一個(111)面能形成1種ε-馬氏體變體和6種α′-馬氏體變體。從圖6a中可以看出在1 T磁場作用下，晶粒尺寸為6.6 μm的奧氏體在1個ε-馬氏體上相變生成對應的4個α′-馬氏體變體，未發現其他取向關系的α′-馬氏體變體，可能是由于1 T磁場作用下晶粒尺寸6.6 μm的奧氏體中一個板條內隨溫度降低未完全相變，所以6種變體未完全出現。Morito等[49]的研究指出，在晶粒尺寸為2 μm的奧氏體晶粒當中，發生溫度誘發馬氏體相變轉變完全時，在單一的packet中對應的6種變體均會全部生成。隨著晶粒尺寸增大，如圖6c和e所示，在初始生成的每種取向ε-馬氏體上，均轉變為對應的6個取向α′-馬氏體變體。此結果說明，在1 T磁場作用下，針對每一種取向的ε-馬氏體，α′-馬氏體相變沒有呈現出明顯的變體選擇規律，晶粒尺寸對該相變路徑下變體選擇影響不顯著。進一步增加磁場強度(9 T)，如圖6b、d和f所示，組織中出現了多種α′-馬氏體變體，且每個ε-馬氏體板條中對應的所有可能取向的α′-馬氏體均生成。對比不同晶粒尺寸奧氏體在強磁場和弱磁場環境下，ε-馬氏體→α′-馬氏體相變變體選擇規則，結果顯示每一種取向ε-馬氏體內部的變體選擇規律沒有發生改變，磁場作用只是加速了相變過程。

利用EBSD技術對馬氏體板條之間的晶體學特性(大小角度晶界、晶界取向角占比)做進一步分析。圖7給出了晶粒尺寸為29.3 μm試樣晶界角度在2°~5°、5°~15°和15°~65°范圍內的分布情況。其中，紅、綠、藍線分別代表晶界角度介于2°~5°、5°~15°和15°~65°之間，白色、青色和黑色分別代表奧氏體相、ε-馬氏體和α′-馬氏體。隨著磁場強度的增加，馬氏體相變量增加，這與上述組織觀察得到的結果相一致。在SUS321不銹鋼合金體系下，無論是弱磁場作用還是強磁場作用，馬氏體變體之間均是以大角度晶界為主導。

上述結果揭示了磁場和晶粒尺寸的協同作用主要影響ε-馬氏體變體的生成，在第二步的相變過程中，ε-馬氏體為α′-馬氏體提供形核質點，同一板條內所有取向的α′-馬氏體具有相同的形核概率，磁場和晶粒尺寸的協同作用對其沒有顯著影響。因此磁場和晶粒尺寸協同作用，僅影響γ→ε-馬氏體轉變的變體選擇，ε-馬氏體→α′-馬氏體轉變的變體選擇不受磁場和晶粒尺寸影響。通過外加磁場手段調控馬氏體相變的變體選擇情況時，需特別關注材料的晶粒尺寸情況，為組織中亞穩奧氏體的主動調控提供一定的理論指導。

(1) 以SUS321不銹鋼為研究的基礎體系，綜合考慮合金體系所處的外部磁場環境及顯著影響馬氏體相變的晶粒尺寸，探究了馬氏體相變行為。弱磁場作用下，隨著晶粒尺寸的增加，連續降溫過程中的馬氏體轉變明顯被加速，終態馬氏體轉變量增加；強磁場作用下，隨著晶粒尺寸的增加，存在最促進馬氏體相變的臨界晶粒尺寸，在此臨界晶粒尺寸條件下，奧氏體穩定性最差，馬氏體相變最迅速，轉變量最多。表明晶粒尺寸與磁場對馬氏體相變的綜合影響并非簡單的疊加關系，通過外加磁場手段調控馬氏體相變時需特別關注材料的晶粒尺寸情況。

(2) 對比分析馬氏體相變微觀組織，闡述了磁場和晶粒尺寸共同影響馬氏體相變的微觀作用機制。無論是小晶粒還是大晶粒，強磁場作用均增加ε-馬氏體的形核質點數，進而加速了馬氏體相變，促進馬氏體的生成。而在強磁場作用下，當晶粒尺寸大于臨界值時，生成的ε-馬氏體各向異性逐漸轉變為各向同性，加速了變體之間的硬碰撞，進而限制了大晶粒尺寸中的馬氏體相變。因此存在使奧氏體穩定性最差的臨界晶粒尺寸。

(3) 對相變前后晶體學數據進行分析，闡明了磁場和晶體尺寸共同作用對γ→ε-馬氏體→α′-馬氏體相變的變體選擇規律。晶粒尺寸主要影響ε-馬氏體的變體選擇，磁場對其影響不顯著。磁場作用及增加晶粒尺寸均對α′-馬氏體的變體選擇情況沒有明顯影響。