从交通运输到轻量化设计再到安全的基础设施，所有领域都需要机械强度高且延展性强的承载材料。然而，一个巨大的挑战是将两种特性统一在一种材料中。具有良好延展性的高强度钢是一种极具吸引力的承载材料，但这些合金通常需要使用昂贵的元素或复杂的加工方法。

鉴于此，东北大学袁国教授，李琳琳教授、王国栋院士和德国马普所Dierk Raabe教授合作的最新研究成果表明：由铁、锰、硅、碳和钒组成的高强度钢可以采用不同的加工策略制成。锻造、低温处理和回火相结合，形成了一种强度非常高的合金，同时还具有良好的延展性和可成形性。

具体而言，普通的中锰钢可以通过结合多个横向锻造、深冷处理和回火步骤进行加工，得到在均匀伸长率 >20% 时具有 >2.2 GPa的抗拉强度的合金。由层状和双重拓扑排列的马氏体与精细分散的残余奥氏体组成的分层微观结构同时激活多种微观机制以强化和延展材料。组织良好的马氏体中的位错滑移和逐渐变形激发的相变协同产生高延展性。本文的纳米结构设计策略生产出 2 千兆帕强度但仍具有韧性的钢材，这些钢材具有大规模生产的潜力。

相关研究成果以题为“Ductile 2-GPa steels with hierarchical substructure”发表在最新一期《Science》期刊上。值得一提的是，这也是东北大学作为第一单位的首篇《Science》。

【合金钢的设计与表征】

首先，超高强度钢中的主要微观结构成分是马氏体，通常以无序方式拓扑排列（不遵循任何拓扑设计或形状标准）（图1A）。然而，马氏体的拓扑有序排列有助于将脆性转化为延展性。例如，在具有层状或棱柱形马氏体的钢中，强度、延展性和韧性可以通过沿晶界或相界的特定位置分层得到显着提高(图1B)。此外，在具有良好取向和拓扑排列的马氏体中可以实现高界面和整体塑性。

考虑到这些基本原则，作者设计了一种成分为Fe-7.4Mn-0.34C-1Si-0.2Vwt%的微合金化中锰钢，称为合金A。该材料的层次结构由组织良好的马氏体结构和亚稳态奥氏体组成，后者在细化棱柱形母奥氏体中形成，这些分级纳米结构钢表现出2.0 至 2.4 GPa 的抗拉强度值、18 至 25% 的均匀伸长率以及24 至 30% 的总伸长率。（图1）。

图 1. Fe-7.4Mn-0.34C-1Si-0.2V 钢的分级显微组织演变

接下来，作者进行了透射电子显微镜(TEM)表征，结果表明经过低温处理和回火后，锻钢中主要存在板条马氏体，I型和II型马氏体的平均板条厚度分别为126±27 nm和120±32 nm（图2）。每种类型的马氏体集中生长形成图1C所示的层次结构。在马氏体基体中，残余奥氏体主要呈薄膜状和小块状（图2C，D）。

图 2. Fe-7.4Mn-0.34C-1Si-0.2V钢的显微组织

【合金钢的机械性能】

作者设计的Fe-7.4Mn-0.34C-1Si-0.2V wt%钢表现出极具吸引力的拉伸性能，屈服强度为1822±35 MPa，抗拉强度为2200±20 MPa，均匀伸长率为18.0±0.3%（图3A）。此外，该样品具有极高的加工硬化率，真实应变高达~0.15，这使该材料具有良好的成型性。另一种设计的合金Fe-7.8Mn-0.39C-1Si-0.5V wt %，称为合金 B，同样显示出吸引人的机械性能。通过比较锻造合金 A 和 B 与其他先进超高强度钢的拉伸性能（图 3B）。与其他现有的超高强度钢相比，本文开发的钢具有更好的强度-延展性协同作用。抗拉强度和均匀伸长率的乘积（总能量吸收的量度）超过 40 GPa%，这大于现有的 2-GPa 钢。

图 3. 与其他超高强度钢相比，本文报道的钢的机械性能

【机制分析】

锻钢的机械性能——特别是出色的延展性——来自协同作用的变形机制。根据相图（图4A，B）和XRD分析（图4C)，残余奥氏体在应变时逐渐转变为马氏体，直到在18.3%的拉伸应变(ε)下达到91%的转变体积分数。块状残留奥氏体在早期到中期的变形范围内控制相变诱导塑性（TRIP）效应，并且在ε≈8%时几乎完全转变。随着持续应变，薄膜状薄残留奥氏体层也开始发生转变，甚至进一步降低了剩余亚稳态奥氏体的体积分数。后一种薄奥氏体由于其纳米尺寸和不同的分配，而倾向于在高应力和应变水平下转变，这两者都转化为更高的抗非热转变稳定性。这种渐进和充分的TRIP效应产生了高应变硬化率，提高了锻造钢的强度和延展性。

除了 TRIP 效应外，分层结构的组织良好的马氏体还为锻造样品提供了相当大的延展性。I型和II型马氏体的机械响应不同，并且在很大程度上取决于板条几何和晶体取向。I型马氏体对强度的贡献更大，而II型马氏体对延展性的贡献更大，使锻钢成为一种马氏体-马氏体复合材料（I型和II型）。然而，由于II型马氏体的体积分数较高(>60%)、渐变TRIP效应和层状马氏体排列，I型和II型马氏体之间存在良好的应变相容性。通过综合多种强化和塑性机制的优势，双排列马氏体和残余奥氏体的层次结构可以在2.2 GPa的超高强度水平下保持高达20%的均匀延伸率。

图 4. 目前Fe-7.4Mn-0.34C-1Si-0.2V钢的变形组织

【结果】

本文提供了一种拓扑结构设计方法，通过将具有中等亚稳态奥氏体的马氏体结构调整为双排列形态，在中锰钢中实现良好的延展性和超高强度。除了渐进的 TRIP 效应外，锻钢的微观结构还通过构建大体积分数的延展性马氏体来利用整体塑性和界面塑性，这大大提高了材料的整体延展性。仅通过简单、成本削减和排放减少的热机械处理就能获得优异的拉伸性能，这与现有的工业流程兼容。通过适当调整加工方法和化学成分，可以进一步优化机械性能。这种微观结构设计概念可以扩展和定制以适应许多其他马氏体合金类别，并且它可能适用于大规模加工，在使用标准锻造设备的车辆、航空航天和机械领域具有广泛的潜在应用。

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来源：高分子科学前沿

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