東北大學首篇Science：利用梯度結構塑化2GPa高強鋼

• 導讀

生產出大塊高強高塑，可持續的化學成分，是輕質化和安全運輸，建筑和基礎設施所需要的。但是高強度的獲得往往犧牲了材料的塑性。馬氏體時效鋼的強度可以達到2GPa水平，是目前為止在大塊材料中發現的最高強度。這主要歸功于馬氏體時效鋼具有瘦小的馬氏體基體以及納米級細小的金屬間化，這種結構可以很好的強化材料。此外，在馬氏體基體中引入亞穩態奧氏體，利用相變誘導塑性(TRIP)效應可以同步強化和塑化這種高強度鋼。但是這類馬氏體時效鋼添加了非常昂貴以及不可持續發展的貴金屬元素，例如Co, Ni, Mo, Ti等。

最近，在變形偏析(D&P)鋼中發現，馬氏體中高密度的位錯可以很好的同時提高材料的強塑性。化學界面工程同樣可以起到同樣的作用。然而，這些鋼顯示出廣泛的Lüders或Portevin-Le Chatelier帶。主要由非均勻塑性流動的鋸齒形變機制產生，導致的不均勻變形。制造這些鋼所需的加工步驟——包括熱軋、熱軋、冷軋和快速加熱等等——相當復雜，導致生產效率低下，成本高昂。因此，對延展性，可持續性和成本效益高的2-GPa鋼的追求本身就是一個未解決的問題。

在所有這些超高強度鋼中，馬氏體是[1]梯度的主要組織，通常以無序的拓撲方式排列，即不遵循任何拓撲設計或形狀準則。它的梯度結構和過飽和間隙碳引起的四方變形是其高強度和高脆性的原因。馬氏體的有序排列有助于將脆性轉變為延性。界面取向對此類微結構的塑化也起著至關重要的作用。考慮到這些結構優勢，本文開發了一種簡單高效的鍛造路線，并在此基礎上進行深冷處理和回火，以實現成分素中錳鋼的這些拓撲特征，從而獲得超高強度和塑性的超級鋼。

二、成果掠影

2023年1月13日，來自東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室的王國棟院士/袁國教授研究團隊，結合多道次橫向鍛造、深冷處理和回火處理，在均勻延伸率為20%的情況下，獲得了抗拉強度為>2.2 GPa的中錳鋼。研究表明：由層狀和雙重拓撲排列的馬氏體和彌散的殘余奧氏體組成的梯度微觀組織，可以誘發變形過程中板條界面位錯滑移、界面塑性和相變誘發塑性（TRIP）等多種增強增塑機制，促使材料具有持續較高的加工硬化能力，大幅度提升其強度和塑性。本工作提出的設計策略生產了2GPa的高強度且韌性良好強的鋼，打破了超高強鋼對復雜制備工藝和昂貴合金成分的依賴，并具有大規模工業生產的潛力。相關成果以“Ductile 2-GPa steels with hierarchical substructure”為題發表在國際頂級期刊Science期刊上。

三、核心創新點

(1) 創新提出“馬氏體拓撲學結構設計+亞穩相調控”協同增塑新機制;

(2) 獲得2GPa的高強高韌性鋼，打破了對復雜制備工藝和昂貴合金成分的依賴，并具有大規模工業生產的潛力；

四、數據概覽

圖1 Fe-7.4Mn-0.34C-1Si-0.2V鋼的馬氏體拓撲學+亞穩相調控結構設計；(A)馬氏體組織源于等軸奧氏體。(B)具有層間界面特征的棱柱結構。(C)馬氏體在棱柱狀奧氏體內部轉變，形成梯度化結構。(D)重構棒狀母奧氏體的平均晶體取向圖，(E) EBSD相圖，(F) SEM圖像顯示鍛壓和空冷至室溫處理后樣品中拉長的馬氏體(type I)和傾斜的馬氏體 (type II)。LD表示縱向方向，FD表示鍛造方向。(G) EBSD相圖，(H)馬氏體逆極圖(IPF)圖，(I)經過深冷處理和隨后在300℃/20 min回火的鍛造樣品的SEM圖像。

圖2 Fe-7.4Mn-0.34C-1Si-0.2V鋼的顯微組織；(A)奧氏體的局部區域，顯示與LD平行的I型馬氏體。(B)奧氏體的局部區域，顯示與LD傾斜45°的II型馬氏體。(C)和(D)超細殘余奧氏體的暗場成像。(E)回火試樣的三維重構。(F) C和V的原子百分比。(G)沿(F)中12nm × 12nm × 40nm黃色圓柱體軸線的一維成分剖面。

圖3 Fe-7.4Mn-0.34C-1Si-0.2V與其它超高強度鋼的力學性能比較；(a) 拉伸應力-應變曲線及相應的應變硬化曲線；（b） 與其它超高強度鋼的力學性能比較；

圖4 Fe-7.4Mn-0.34C-1Si-0.2V鋼的變形組織；（A，B）EBSD相分布圖；(C) XRD測得的奧氏體體積分數隨拉伸應變的變化；（D）施密特因子分布；（E）加載時的I型馬氏體；(F和G) 拉伸應變分別為4和12%時的應變分布；(H)拉伸加載過程中I型和II型馬氏體之間的應變分配；（I）8%變形時的II型馬氏體變形結構；（J）12%變形時的II型馬氏體變形結構；(K)拉伸應變為12%時I型馬氏體的變形組織。(L)拉伸應變為18.3%時的變形結構。

五、成果啟迪

本工作提出馬氏體/奧氏體梯度結構設計新理念，利用多級變形機理同時提高材料強塑性；極大地推動了低成本、大尺寸超強塑性鋼的制備和應用。這種設計理念不僅對于鋼鐵材料，也適用于制備其它超強塑性金屬材料。

論文詳情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.add7857