以下为根据指定文章所编写的学术摘要报告：

该研究文章由Eun Jung Seo、Lawrence Cho、Emmanuel De Moor以及Robert L. Cryderman共同完成，其研究机构为位于美国科罗拉多州矿业学院先进钢材加工与产品研究中心（Advanced Steel Processing and Products Research Center, ASPPRC）。论文发表于《Metallurgical and Materials Transactions A》，在线发布时间为2024年11月20日，并计划刊登在2025年1月出版的第56A卷。

背景与研究意义

感应硬化是一种绿色环保、节能、高效且经济的热处理方法，通常用于钢材表面的选择性或全面硬化。典型的感应硬化过程包括快速加热至奥氏体化温度范围（通常为880°C至1050°C），在短时间内保持以形成完全或主要为奥氏体组织，随后进行淬火以获得硬马氏体组织。感应硬化过程通常应用于中碳钢（如AISI 1045）以提高其强度和表面耐磨性，广泛应用于传动、悬挂及转向部件制造。特别是通过添加微合金元素（如铌Nb）可改善热轧工艺后及随后热处理后的机械性能。

然而，钢材的初始（预硬化）显微组织对感应硬化过程中显微结构的均匀化行为影响显著。现有研究表明，不同的预硬化组织（如铁素体/珠光体、回火马氏体等）的成分、体积分数及形态与感应硬化效率及硬化深度密切相关，但针对感应硬化过程中快速奥氏体化动力学及其对最终组织均匀性的机制研究尚不充分。此外，在采用铁素体-珠光体混合组织作为感应硬化初始组织时，其组织演化及均匀性的关键影响因素更缺乏系统性评估。

鉴于此，本研究以中碳钢AISI 1045为研究对象，重点分析两种初始显微组织（热轧状态与珠光体层状退火状态，简称LP退火）及微合金化（铝Al与铌Nb微量含量）对感应硬化显微结构演化的影响。研究采用模拟感应硬化技术（使用膨胀仪）与多尺度显微表征方法（光学显微镜、扫描及透射电子显微镜）探讨初始组织对感应硬化显微组织演化的影响机制。

实验设计与研究方法

1. 材料与初始处理
   研究选用两种AISI 1045中碳钢，一种含0.02 wt% Al（1045Al），一种含0.02 wt% Nb（1045Nb）。两种钢材均以热轧态收到（直径分别为54 mm与41 mm），并通过两种方式作为初始显微组织：保留原热轧态，及经珠光体层状退火处理（加热至805°C等温1小时后炉冷）。

2. 感应硬化模拟实验
   使用膨胀仪（TA DIL805推杆膨胀仪）模拟快速感应硬化，实验温度设定为820°C（低于Ac3温度）与950°C（高于Ac3温度），加热速率为200°C/s，等温保持0.5秒或2秒，并通过氦气快速冷却（降温速率150°C/s）。实验设置的加热条件模拟典型感应硬化热循环下表层和次表层的不同热历程。

3. 显微结构表征与硬度测试
   采用光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、聚焦离子束（FIB）及透射电镜（TEM）对感应硬化前后显微组织演化进行详细表征，同时使用维氏硬度计评估淬火后样品的宏观硬度分布。

研究结果与讨论

1. 初始显微组织对比分析

热轧态1045Al与1045Nb的显微组织均为珠光体加先共析铁素体（铁素体的体积分数分别为0.27和0.11）。珠光体层状退火后两种钢材分别形成有显著铁素体/珠光体带状结构的退火组织，且铁素体含量增加（分别为0.37和0.33）。不同热处理和成分设计对铁素体分布及岛屿尺寸产生显著影响，1045Nb的铁素体分布比1045Al更均匀。

2. 感应硬化模拟过程中组织演化

实验显示，感应硬化过程中初始组织对奥氏体化速度及最终均匀性具有显著影响。特征如下：

• 820°C低温模拟中拟奥氏体化不足（Incomplete Homogenization）现象明显：铁素体岛较大的区域表现出更慢的奥氏体化动力学，导致更高比例的不完全转变产物（non-martensitic transformation products, NMTP），如残留铁素体、贝氏体及少量珠光体。
• 950°C高温模拟下更易形成均匀性的低NMTP含量马氏体基体。尤其是热轧态起始组织的1045Nb样品在更高温度下表现出最优的奥氏体化和硬化效率。

3. NMTP与硬度之间的关系

硬度测试表明，NMTP含量增加将降低感应硬化后的硬度。当感应硬化温度提高至950°C时，无论是含Nb还是含Al的样品，均呈现出显著硬度增加（653 HV至702 HV），与NMTP占比降至最低一致。

4. NMTP区域的细微观察

通过TEM分析，发现NMTP区域包括铁素体、贝氏体、退火珠光体及残余奥氏体结构。特别是原始珠光体中的球状或片状渗碳体在高温奥氏体化过程中难以完全溶解，转变为高稳定性残余奥氏体区域。

研究结论及意义

1. 组织调控与感应硬化效能的关系
   初始铁素体分数及其分布均匀性显著影响感应硬化效率及硬化后组织均匀性。通过设计合适的预热处理工艺（例如，减少退火生成的铁素体/珠光体分带效应）及使用Nb取代Al微合金化成分，可以有效优化中碳钢的感应硬化响应。

2. 新见解的科学贡献
   本研究不仅验证了铁素体含量及岛屿尺寸对奥氏体化和组织均匀性的重要性，还首次通过TEM观察了感应硬化未完全奥氏体化区域的微观构造演化，为制定改进感应热处理工艺提供了实验依据。

研究亮点与展望

1. 亮点
   本研究明确了Nb微合金化在中碳钢感应硬化组织调控中的积极作用，并通过多尺度显微技术揭示了快速加热条件下化学与显微结构不均匀性的详细演化机制。

2. 展望
   未来研究需进一步探索：

   • 不同微合金元素（如Nb和Al）对感应硬化奥氏体化动力学的机制。
   • 更多前驱组织设计及奥氏体化条件，以期揭示感应硬化效能的最佳工艺窗口。

这项研究通过系统地评估初始显微组织及微合金化对感应硬化响应的影响，为工业领域中碳钢热加工及强化工艺设计提供了宝贵参考。