3.05GPa！打破马氏体合金强度“天花板”
超高强度金属材料是航空航天、能源装备和重载工程等领域的核心基础，但长期以来，强度与韧性难以兼得始终是材料设计中的“老大难”问题。以马氏体合金为代表的超高强钢，依靠高密度位错和细密层片结构可实现极高强度，却往往在晶界处形成应力集中，导致脆性断裂风险显著增加。尤其是广泛存在的小角度晶界（SAGBs），虽然有利于位错穿透、提升塑性，却同时削弱了对位错运动的阻碍能力，使得合金的屈服强度长期被限制在 2.5 GPa 以下。如何在不牺牲塑性的前提下，进一步突破这一强度上限，是结构金属领域亟待解决的关键科学问题。
今日，北京科技大学吕昭平院士、Yunzhu Shi联合湖南大学雷智锋教授共同提出了一种全新的界面复合体（interface complexes）强化策略。研究人员通过简单可扩展的“冷轧 + 低温退火”工艺，在近单相马氏体合金中诱导 Mo、B 和 C 元素在小角度晶界处协同偏聚，形成稳定的界面复合体结构。这一结构既显著增强了晶界对位错的阻碍能力，又保持了位错跨界传输能力，使材料在实现 3.05 GPa 屈服强度的同时，仍保持 5.13% 的断裂延伸率，刷新了超高强韧马氏体合金的性能纪录，为新一代高性能结构材料设计提供了全新范式。相关成果以“A 3-GPa ductile martensitic alloy enabled by interface complexes and dislocations”为题发表在《Nature Materials》上，Rong Lv和 Jia Li为共同第一作者。
吕昭平，男，汉族，1970 年 11 月生，安徽桐城人，现任北京科技大学校长、教授、博士生导师。1992 年、1995 年先后获华中科技大学学士和硕士学位，2001 年获新加坡国立大学博士学位；2001—2006 年在美国橡树岭国家实验室材料科学与技术部工作，历任助理研究员、研究员。吕昭平教授是国家重大人才工程入选者、国家自然科学基金创新研究群体项目负责人，兼任第五届全国工程专业学位研究生教育指导委员会委员、国际期刊《Intermetallics》主编。长期从事金属材料与物理冶金研究，在合金设计原理、强韧化机理与组织调控方面作出系统性创新，提出“低错配强有序效应”强韧化新思路，突破金属材料高强度与高塑韧性难以兼顾的瓶颈，研发多类超高强韧合金并服务于航空航天、能源交通和国防工程。曾获国家自然科学二等奖 2 项（2018、2023 年）、教育部自然科学一、二等奖各 1 项，成果入选 2017 年“中国科学十大进展”和“十三五”科技创新成就展；发表 SCI 论文 330 余篇（含 Nature、Science 论文 4 篇），被引 3.15 万余次，授权国内外发明专利 70 余项。2025 年当选中国科学院院士。
研究团队首先系统比较了合金在不同加工状态下的力学行为。通过固溶处理（ST）、85% 冷轧（CR）以及冷轧后低温退火（CRA），构建了一条清晰的性能演化路径。拉伸结果显示，ST 合金屈服强度约 0.93 GPa；冷轧后，由于位错密度显著提升，屈服强度提高至 1.94 GPa，同时延伸率反而有所增加，体现出明显加工硬化效应（图1a）。而在冷轧退火后，CRA 合金屈服强度一举跃升至 3.05 GPa，同时仍保持 5.13% 延伸率，实现了强度与塑性的同步突破。断口形貌进一步佐证了这一反常强韧协同。扫描电镜显示，CRA 合金断口表面布满均匀细密的韧窝（图1b、1c），表明材料在失效前经历了显著塑性变形，而非典型超高强钢中常见的脆性断裂。将该合金与现有各类超高强钢、中熵和高熵合金进行对比可以发现，其性能位于强度–塑性坐标中的“右上角”（图1d），显示出明显优势。
图1：CRA 合金实现 3.05 GPa 屈服强度与 5.13% 延伸率的力学性能表现
在微观结构层面，同步辐射 X 射线衍射表明三种加工态合金均以 α′ 马氏体为主，相组成几乎一致，排除了析出强化或相变机制的影响（图2a）。EBSD 分析显示，CRA 合金中约 70% 晶界为小角度晶界（图2b），这类晶界通常被认为难以提供有效强化，是限制马氏体合金进一步提升强度的关键因素。透射电镜观察到，CRA 合金内部由大量纳米级层片和亚晶组成，位错高度密集，但未发现纳米析出物（图2c–f）。这意味着，材料的超高强度并非来自传统第二相强化，而是源于对缺陷结构本身的调控。关键证据来自原子尺度分析。原子探针断层扫描清晰显示，在 CRA 合金的小角度晶界处，Mo、B 和 C 元素发生显著协同偏聚，形成连续分布的富集层（图2g）。相比之下，冷轧态合金虽然同样具有高密度位错和大量晶界，但元素分布均匀，未形成类似结构。这表明，低温退火并非简单的“回复过程”，而是驱动了高度有序的界面重构。
图2：马氏体组织中小角度晶界的元素协同偏聚与界面复合体形成
这种界面重构对变形行为产生了深刻影响。拉伸前，CRA 合金中马氏体层片边界清晰锐利；拉伸过程中，边界逐渐模糊，表明位错在晶界附近大量累积并形成强应变场（图3a–d）。原位 HEXRD 结果显示，整个变形过程中未发生相变，强度提升完全来源于位错密度的持续增长（图3e）。进一步定量分析发现，CRA 合金在变形后期展现出更强的位错存储能力，其位错密度增长速度明显高于冷轧态合金（图3f）。基于扩展 Kocks–Mecking 模型计算，CRA 合金中位错平均自由程显著缩短，约为 19.4 nm，明显小于冷轧态合金的 31.5 nm（图4）。这表明，界面复合体使原本“易滑移”的小角度晶界转变为高效、稳定的位错钉扎界面，在力学行为上接近高角度晶界，从而显著提升晶界强化贡献。
图3：拉伸变形过程中晶界演化及位错密度变化
图4：界面复合体缩短位错自由程、增强晶界强化效应的定量分析
小结
该研究通过界面复合体工程，成功在近单相马氏体合金中实现 3 GPa 级屈服强度与可观塑性的协同突破。这一策略无需复杂合金体系或多相结构，仅依赖可工业放大的加工工艺，展示出良好的应用前景。未来，这种“以化学稳定缺陷、以界面重塑力学”的设计思路，有望推广至更广泛的钢铁及中高熵合金体系，为新一代超高强结构材料提供通用设计范式。
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