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鋼在工業(yè)體系中無論是涉及領(lǐng)域的寬度還是使用量的多少都有著毋庸置疑的地位，作為最重要也是最成熟的金屬材料體系之一，幾乎在任何一個工業(yè)領(lǐng)域中都能夠看到鋼材的身影。其中，馬氏體鋼便是一種應(yīng)用廣泛的高強(qiáng)度鋼，但在有些服役場景中，其會受到塑性不足的制約。傳統(tǒng)的解決方案是通過一系列熱處理工藝以改善塑性，例如Q&P鋼就是通過淬火配分熱處理方案制備，通過熱處理以調(diào)控鋼中的殘余奧氏體，通過相變誘發(fā)塑性效應(yīng)（TRIP）提升塑性。然而，這些方法不僅工藝復(fù)雜，還由于需要長時間熱處理的限制，在工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)上優(yōu)勢并不大。 研究人員們不斷試圖開發(fā)更便捷的方法，近年來化學(xué)異質(zhì)性在鋼中引入強(qiáng)-韌協(xié)同的潛力開始被人們發(fā)現(xiàn)，特別是錳元素的分布調(diào)控。但該方法究竟能否在不依賴殘余奧氏體的情況下，僅憑馬氏體內(nèi)部的化學(xué)異質(zhì)性就能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)塑性的協(xié)同，這一點(diǎn)在之前的研究中還未明確闡明。清華大學(xué)與天津大學(xué)的聯(lián)合團(tuán)隊于2025年9月15日在國際材料領(lǐng)域期刊《Scripta Materialia》在線發(fā)表的題為“Ductilizing martensite in lean steel via chemical heterogeneity”的研究論文給出了答案，該論文的通訊作者為天津大學(xué)丁然副教授和清華大學(xué)的張游游博士以及陳浩教授。  文章鏈接： https:///10.1016/j.scriptamat.2025.116986 【核心內(nèi)容】 在該論文的研究中，團(tuán)隊證明了在低合金鋼中，通過快速退火而引起的馬氏體內(nèi)的化學(xué)異質(zhì)，可以使得鋼材在不依賴殘余奧氏體體的情況下，協(xié)同提高強(qiáng)度和塑性。團(tuán)隊研究發(fā)現(xiàn)，鋼中了形成Mn貧化馬氏體（MDM）與Mn富集馬氏體（MEM）的共存結(jié)構(gòu)，二者的取向差異在界面處產(chǎn)生大量幾何必要位錯（GNDs），并在拉伸過程中誘發(fā)持續(xù)的背應(yīng)力硬化。因此，盡管殘余奧氏體量很少(~2%)，異質(zhì)樣品的力學(xué)性能仍超過其同質(zhì)樣品。這項工作證明，馬氏體中內(nèi)在的化學(xué)異質(zhì)性可以實(shí)現(xiàn)出色的強(qiáng)塑性協(xié)同作用，為先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼提供了一種無需依賴TRIP效應(yīng)的簡化替代方案。
圖形摘要 【研究方法】 團(tuán)隊所使用的鋼成分為Fe-0.19C-1.5Si-2.0Mn-0.02Nb（wt.%），在經(jīng)過熱軋冷卻之后，獲得含有富錳滲碳體的鐵素體+珠光體組織，再經(jīng)過冷軋減薄厚度。隨后團(tuán)隊設(shè)計了一套核心為快速退火（flash annealing）的熱處理工藝方案：
隨后，研究團(tuán)隊結(jié)合SEM、EBSD、STEM-EDS、納米壓痕、原位拉伸-DIC等多種手段，對不同樣品的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)對比。 【研究成果】 ① 快速退火前組織中的錳富集行為 冷軋組織由變形的鐵素體和珠光體區(qū)組成。STEM-EDS分析顯示，滲碳體顆粒中的錳含量與尺寸有明顯的相關(guān)性，大尺寸顆粒約含Mn約24wt.%，中尺寸顆粒約16wt.%，小尺寸顆粒小顆?；蛑楣怏w片層約10wt.%，鐵素體基質(zhì)中的平均錳含量約為1.3wt.%，這種Mn的不均勻分布為后續(xù)快速退火后形成化學(xué)異質(zhì)馬氏體奠定了基礎(chǔ)。
初始冷軋組織及滲碳體中的錳分布特征 ② 馬氏體中的異質(zhì)結(jié)構(gòu)：Mn貧化與Mn富集區(qū)域 在Het樣品中觀察到兩種類型的馬氏體相：Mn貧化馬氏體（MDM）與Mn富集馬氏體（MEM），MDM具有多取向變體，而MEM則受限于單一取向變體，這種顯著的晶體學(xué)差異導(dǎo)致MDM/MEM界面處產(chǎn)生GNDs，相比之下，對照組顯示出均勻的馬氏體組織，沒有明顯的結(jié)構(gòu)區(qū)別。
三種樣品的SEM顯微組織及力學(xué)性能對比曲線
MDM與MEM的取向變體差異及Mn元素分布 ③ 強(qiáng)韌協(xié)同的來源：界面位錯與反向應(yīng)力 |
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