东北大学首篇Science：利用梯度结构塑化2GPa高强钢

• 导读

生产出大块高强高塑，可持续的化学成分，是轻质化和安全运输，建筑和基础设施所需要的。但是高强度的获得往往牺牲了材料的塑性。马氏体时效钢的强度可以达到2GPa水平，是目前为止在大块材料中发现的最高强度。这主要归功于马氏体时效钢具有瘦小的马氏体基体以及纳米级细小的金属间化，这种结构可以很好的强化材料。此外，在马氏体基体中引入亚稳态奥氏体，利用相变诱导塑性(TRIP)效应可以同步强化和塑化这种高强度钢。但是这类马氏体时效钢添加了非常昂贵以及不可持续发展的贵金属元素，例如Co, Ni, Mo, Ti等。

最近，在变形偏析(D&P)钢中发现，马氏体中高密度的位错可以很好的同时提高材料的强塑性。化学界面工程同样可以起到同样的作用。然而，这些钢显示出广泛的Lüders或Portevin-Le Châtelier带。主要由非均匀塑性流动的锯齿形变机制产生，导致的不均匀变形。制造这些钢所需的加工步骤——包括热轧、热轧、冷轧和快速加热等等——相当复杂，导致生产效率低下，成本高昂。因此，对延展性，可持续性和成本效益高的2-GPa钢的追求本身就是一个未解决的问题。

在所有这些超高强度钢中，马氏体是[1]梯度的主要组织，通常以无序的拓扑方式排列，即不遵循任何拓扑设计或形状准则。它的梯度结构和过饱和间隙碳引起的四方变形是其高强度和高脆性的原因。马氏体的有序排列有助于将脆性转变为延性。界面取向对此类微结构的塑化也起着至关重要的作用。考虑到这些结构优势，本文开发了一种简单高效的锻造路线，并在此基础上进行深冷处理和回火，以实现成分素中锰钢的这些拓扑特征，从而获得超高强度和塑性的超级钢。

二、成果掠影

2023年1月13日，来自东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室的王国栋院士/袁国教授研究团队，结合多道次横向锻造、深冷处理和回火处理，在均匀延伸率为20%的情况下，获得了抗拉强度为>2.2 GPa的中锰钢。研究表明：由层状和双重拓扑排列的马氏体和弥散的残余奥氏体组成的梯度微观组织，可以诱发变形过程中板条界面位错滑移、界面塑性和相变诱发塑性（TRIP）等多种增强增塑机制，促使材料具有持续较高的加工硬化能力，大幅度提升其强度和塑性。本工作提出的设计策略生产了2GPa的高强度且韧性良好强的钢，打破了超高强钢对复杂制备工艺和昂贵合金成分的依赖，并具有大规模工业生产的潜力。相关成果以“Ductile 2-GPa steels with hierarchical substructure”为题发表在国际顶级期刊Science期刊上。

三、核心创新点

(1) 创新提出“马氏体拓扑学结构设计+亚稳相调控”协同增塑新机制;

(2)获得2GPa的高强高韧性钢，打破了对复杂制备工艺和昂贵合金成分的依赖，并具有大规模工业生产的潜力；

四、数据概览

图1 Fe-7.4Mn-0.34C-1Si-0.2V钢的马氏体拓扑学+亚稳相调控结构设计；(A)马氏体组织源于等轴奥氏体。(B)具有层间界面特征的棱柱结构。(C)马氏体在棱柱状奥氏体内部转变，形成梯度化结构。(D)重构棒状母奥氏体的平均晶体取向图，(E) EBSD相图，(F) SEM图像显示锻压和空冷至室温处理后样品中拉长的马氏体(type I)和倾斜的马氏体 (type II)。LD表示纵向方向，FD表示锻造方向。(G) EBSD相图，(H)马氏体逆极图(IPF)图，(I)经过深冷处理和随后在300℃/20 min回火的锻造样品的SEM图像。

图2 Fe-7.4Mn-0.34C-1Si-0.2V钢的显微组织；(A)奥氏体的局部区域，显示与LD平行的I型马氏体。(B)奥氏体的局部区域，显示与LD倾斜45°的II型马氏体。(C)和(D)超细残余奥氏体的暗场成像。(E)回火试样的三维重构。(F) C和V的原子百分比。(G)沿(F)中12nm × 12nm × 40nm黄色圆柱体轴线的一维成分剖面。

图3 Fe-7.4Mn-0.34C-1Si-0.2V与其它超高强度钢的力学性能比较；(a) 拉伸应力-应变曲线及相应的应变硬化曲线；（b） 与其它超高强度钢的力学性能比较；

图4 Fe-7.4Mn-0.34C-1Si-0.2V钢的变形组织；（A，B）EBSD相分布图；(C) XRD测得的奥氏体体积分数随拉伸应变的变化；（D）施密特因子分布；（E）加载时的I型马氏体；(F和G) 拉伸应变分别为4和12%时的应变分布；(H)拉伸加载过程中I型和II型马氏体之间的应变分配；（I）8%变形时的II型马氏体变形结构；（J）12%变形时的II型马氏体变形结构；(K)拉伸应变为12%时I型马氏体的变形组织。(L)拉伸应变为18.3%时的变形结构。

五、成果启迪

本工作提出马氏体/奥氏体梯度结构设计新理念，利用多级变形机理同时提高材料强塑性；极大地推动了低成本、大尺寸超强塑性钢的制备和应用。这种设计理念不仅对于钢铁材料，也适用于制备其它超强塑性金属材料。

论文详情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.add7857