一、研究背景与问题

发展更低成本且兼具良好塑韧性的超高强度钢对轻量化运输、结构安全性及碳中和等方面具有重要意义。借助合金碳化物强化的二次硬化钢(例如Aermet100和M54)具有超高的强度和良好的塑韧性，是一类较为成熟应用的超高强度钢。然而，二次硬化钢中较高含量的昂贵金属元素Ni和Co限制了二次硬化钢的广泛应用。具体来说，高的Co含量被认为是用来降低合金碳化物形成元素Mo在基体中的溶解度，从而促进碳化物的析出，换言之，降低Co的含量可能伴随着析出强化效果的下降。为了降低Co含量同时保持高的强度，引入NiAl金属间化合物实现与碳化物的共析出被认为是一种有效的手段。一方面，高密度的NiAl析出相可以贡献额外的析出强化效果；另一方面，由于Mo元素在NiAl中的溶解度极低，快速析出的NiAl可以将Mo排除，从而促进碳化物的析出。此外，高的Ni含量主要是为了提高马氏体基体本征的塑韧性，以及参与形成逆转变奥氏体和NiAl强化相的析出。因此，降低Ni含量往往会导致塑韧性的恶化以及NiAl析出强化效果的下降。因此，如何在降低Ni和Co含量的同时保持超高强钢较高的强度与良好的塑韧性是急需解决的问题。

二、解决问题的思路与技术方案

为了解决上述合金设计问题，清华大学陈浩等研究团队采用了如下策略：在含NiAl+合金碳化物双析出强化和较低Ni、Co含量的二次硬化钢中尝试加入低成本的Mn元素。一方面Mn的添加可以占据NiAl中Al的点阵位置，降低NiAl相形核界面能和提高NiAl相的析出驱动力，确保了该低Ni、Co新型超高强钢中NiAl相的高密度析出以及相应促进碳化物析出的目的。另一方面，Mn元素作为较强的fcc稳定元素，有利于形成一定含量的软相亚稳奥氏体来提高塑韧性。

此外，在传统超高强钢中，为了保证高的屈服强度，超高强钢中往往只含有较低含量(低于5%)的亚稳奥氏体。根据普遍结果，较高含量(10%~30%)亚稳软相的加入会损害超高强度材料的屈服强度，这对超高强钢是不可接受的。因此，在引入一定含量软相亚稳奥氏体的同时尽可能减小对超高强钢屈服强度的影响是一个需要解决的关键共性问题。值得注意的是，超高强钢中亚稳奥氏体的调控手段极为有限，由于纳米析出行为和奥氏体逆转变之间存在的动力学差异，往往要借助过时效(更高的温度或更长的时间)来引入一定含量的奥氏体，这一传统方法不免会造成析出相的粗化和强化效果的下降，如何同时获得高密度纳米析出与一定含量亚稳奥氏体是一个巨大挑战。

针对以上问题，通过结合奥氏体逆转变(ART)和随后的快速加热奥氏体化(FA)，在时效过程之前成功地将纳米尺度化学异质性引入到了新设计的低成本的超高强钢(0.25 C-5 Ni-5 Mn-5 Co-1 Cr-2 Mo-1 Al, wt.%)中。纳米尺度化学异质性为Mn和Ni在亚稳奥氏体中的富集。最终该超高强钢组织包含高密度Ni(Al,Mn)、(Mo,Cr)2C双纳米析出强化的马氏体框架和~15%含量的纳米奥氏体。

图1. 新型含Mn低成本超高强钢的热处理工艺示意图

三、主要创新成果

1.提出了预置纳米尺度化学异质性策略(工艺如图1所示)，实现了超高强钢中纳米析出相(图2)与纳米亚稳奥氏体(图3)的协同调控，力学性能方面屈服强度可达~1.7 GPa，抗拉强度~1.8 GPa, 均匀延伸率~8.5 %，总延伸率~13 %。其中均匀延伸率高于大多数传统超高强钢(图4)。

图2. 马氏体基体中双析出相的原子探针分析。(a) Fe, Co, Ni, Al, Mn, Mo, Cr 和C元素的原子重构图以及3 at.% Mo等浓度面与 21 at.% (Ni+Al)等浓度面标识的析出相。(b) Ni(Al,Mn)和(c) (Cr,Mo)2C析出相的成分分析。

图3. 最终时效(AG)样品中纳米奥氏体的TEM分析。(a) 时效样品中的纳米亚稳奥氏体的TEM暗场像。(b) 扫描透射模式下的奥氏体的形貌像。(c) Mn和(d) Ni的元素面分布图。(e) Mn和Ni的EDS线分布图。(f) TEM衍射模式下的相分布图。

图4. 本工作研发的超高强钢与其他报导的超高强钢的力学性能和(Ni+Co)含量比较。(a) AG(时效态)、CT-FA-AG(不含化学异质性的时效态)和ART(奥氏体逆转变)样品的拉伸性能。(b)与其他超高强钢相比，目前的低成本钢的拉伸力学性能。(c) AG样品的(Ni+Co)含量和屈服强度与其他超高强钢的比较。

2. 通过原位中子衍射技术揭示了纳米奥氏体对超高强度钢拉伸力学行为的影响(图5)，揭示了不稳定的纳米奥氏体会由于机械诱导相变转变为马氏体，从而损害屈服强度的内在机理。相反，稳定的纳米奥氏体在十分接近马氏体基体屈服的应力水平下才发生转变，对超高强钢的屈服损害较小，且在随后的塑性变形过程中通过相变诱发塑性机制大幅提高超高强钢的均匀延伸率。

图5. 含稳定纳米奥氏体及双纳米析出的超高强钢拉伸过程中的原位中子衍射研究。(a) 超高强钢准静态拉伸过程中子衍射图谱的演变。(b) 马氏体和奥氏体各个晶面承担的应变随外加应力变化。(c) 马氏体相、奥氏体相承担的应力及奥氏体含量随外加应力的变化。(d) 马氏体相、奥氏体相承担的应力及奥氏体含量随应变的变化。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.10.048

来源：清华大学材料学院

版权与免责声明
【1】本网站凡注明“学会秘书处”的所有作品，版权均属于四川省金属学会所有，未经书面授权，任何媒体、网站或个人不得转载、摘编或利用其它方式使用上述作品。已经本网站协议授权的媒体或网站，应在授权范围内使用上述作品，并注明“来源：四川省金属学会”。违者本网站将追究其相关法律责任。
【2】本网站凡注明“来源：XXX（非学会秘书处）”的作品，均转载自其它媒体，登载此作品出于传递更多信息之目的，不代表学会观点或证实其描述，不对其真实性负责。作品内容仅供参考，如转载稿件涉及版权等问题，请在两周内来电或来函与四川省金属学会联系。