超高强钢面临增强增塑难题，科研学者提出多种解决办法

1.研究背景和问题

超高强度钢是交通运输、深海、航空航天、国防等领域的关键材料，可以满足国家对轻量化、安全性、极端服役环境、大型装备特殊性能的重大需求。然而，超高强度钢普遍面临强化与塑性/韧化同时进行的共同科学难题，尤其当强度达到2000MPa时，其塑性大幅下降（均匀伸长率

针对金属材料强度与塑性“倒置”关系，科研人员提出了一系列解决方案，如TRIP/TWIP效应、梯度结构、异质结构、位错工程等，但由于上述机制本身需要特定的工艺过程、钢铁材料相变的复杂性以及2000MPa级超高强度的特点，难以将上述机制有机结合起来开发高塑性的2000MPa级超高强度钢。目前提高强度与塑性是常用的方法，但其效果在2000MPa级超高强度水平上仍然有限。马氏体时效钢作为最高强度等级材料的代表，通过纳米共格析出调控，可以获得强度与韧性的良好结合。 ，但均匀伸长率难以超过8%，需要大量使用Co、Ni、Mo等昂贵的合金。近年来，一些制备2000 MPa级超高强度钢的新思路被提出，并在中锰成分钢中取得了良好的应用。例如，形变-分配(D&P)钢利用“位错工程+亚稳相TRIP效应”可获得2.2GPa屈服强度和18%均匀伸长率的优异性能；利用快速加热技术制备的化学界面工程(CBE)钢可获得2GPa的抗拉强度和20%左右的均匀伸长率。两项重要研究推动了高塑性2GPa金属材料的进展，为极端环境下所需材料提供了新的选择。但优异性能的获得依赖于工艺。其强度较高，通常需要采用热轧、冷轧、温轧、多次退火、快速热处理等多种方法加工，给规模化生产制备带来极大挑战，同时相应的产品规格仅限于薄板，难以满足工程机械、深海、航空航天等特殊领域的严格要求。

因此探索新的共性机理，突破超高强钢性能“倒挂”瓶颈，实现成分节约、绿色工艺低成本制备超高强钢，对推动我国装备制造业高质量发展具有重要意义，将有助于实现我国“双碳”战略目标。

2. 解决问题的思路和技术方案

2000MPa级超高强度钢的硬质相基体为马氏体，通常呈现几何排列紊乱、结构多层、位错密度高等特点，在变形过程中极易引起应力/应变集中，导致变形不良。东北大学轧制技术与连轧自动化国家重点实验室研究团队基于马氏体的根本变形机理，发现马氏体的性能是由空间几何排列结构和晶体学取向结构决定的。这是因为马氏体本身呈长条状晶粒形式，位错密度极高。马氏体中密排平面上的滑移系并不等效，板条面滑移系（In-板条面）的激活有利于提高马氏体的连续变形能力，从而提高高强度马氏体的塑性和韧性，但这种滑移系只有在有利的几何取向下才能被激活。纳米结构碳纳米管的几何有序排列有望进一步提高其塑性和韧性。

三、重大创新成果

针对2000MPa级超高强钢强塑性反转问题，东北大学RAL实验室开展了超高强钢强韧化机理基础理论研究，取得了一批原始理论和技术创新成果，代表性进展如下：

1、提出“马氏体拓扑结构设计+亚稳态相调控”新型塑性机制，突破2000MPa级超高强度钢性能极限

基于调控马氏体亚结构几何顺序有可能进一步提高其塑性和韧性的思路，研究团队创新性地提出了“马氏体拓扑结构设计+亚稳态相调控”的新型塑性机制，并将该机制应用于两种实验钢的锻造和低温回火工艺调控马氏体性能，优化马氏体-奥氏体的组织形貌和稳定性，最终构建了拓扑双有序马氏体与多尺度亚稳态奥氏体的纳米级多级新型组织结构。

以钢A为例，其组织演变过程如下：1）将锻钢冷却至室温，获得体积分数为38.2%的奥氏体+马氏体的双相组织；2）为了进一步消除大块奥氏体，对实验钢进行深冷处理，保留18.7%体积分数的奥氏体；3）最后对实验钢进行低温回火处理，回火过程中发生C分配和界面迁移，最终获得体积分数为21.3%的高稳定性亚稳态奥氏体。该组织结构的母相奥氏体和马氏体在介观尺度上呈现几何有序排列（图1）；在微观尺度上，亚微米/纳米级亚稳态奥氏体嵌于马氏体板条之间，纳米析出相弥散分布（图2）。在变形过程中，这种独特的微观结构能够激发板条界面位错滑移、界面塑性以及相变诱导塑性（TRIP）等多种增强塑性机制（图3），使材料具有持续高加工硬化的能力，从根本上改变了马氏体塑性/韧性低的问题，实现了1600~1900 MPa屈服强度、2000~2400 MPa拉伸强度和18%~25%均匀伸长率的极限性能（图4），突破了超高强度钢塑性新机制与创新组织设计的研究成果，于2023年1月13日以“Ductile 2-GPa steels with hierarchical substructure”为题成功发表在Science（2023, 379: 168-173）上，并入选ESI高引用论文。

图1 新型超高强度塑钢的多级纳米结构构建。A.传统马氏体无序结构；B.壳体材料棱柱状结构；C.拓扑有序马氏体相变结构；D.原始奥氏体重构；锻造+空冷后的EF组织；锻造+深冷+回火后的GI组织。

图2 新型超高强度延性钢的透射电子显微镜和原子探针结果。AB 水平和倾斜的马氏体纳米结构；CD 马氏体结构中间的亚微米/纳米级多尺度亚稳态奥氏体；EG 纳米结构沉淀和碳分配。

图3 新型超高强度球墨钢独特的变形机制。AC TRIP效应；DL马氏体位错滑移及变形行为：倾斜塑性结构马氏体在变形过程中具有较大的应变分配。

图4 新型超高强度塑钢力学性能

2、提出“低强度成形+超高强度使用”新策略，实现零件屈服强度2200MPa以上+均匀伸长率10%以上的性能

高屈服强度与高塑性是材料重要的服役性能，但二者并不能同时实现。其原因是屈服强度高的材料已经消耗了大量的加工硬化，在随后的变形过程中很难继续产生加工硬化。屈服强度为2GPa的材料在拉伸初期易发生塑性失稳，其均匀伸长率一般在5%以下。同时，当材料的屈服强度极高时，成形难度极大，因此我们希望通过对低强度板材的材料性能进行改善，成形后获得超高的屈服强度和高的残余塑性，以提高零件的抗侵入能力和能量吸收能力。基于上述拓扑有序排列组织设计原理，研究团队进一步提出“低强度成形+超高强度使用”的策略，解决2000MPa级超高强度钢的成形难题，保证超高服役性能，通过C-Mn合金设计和应变时效工艺，成功开发出一种新型低成本中锰钢，零件性能为2.0~2.3GPa屈服强度和8%~14%均匀伸长率。具体原理为：Fe-7.4Mn-0.24C合金初始组织中含有35.7%亚稳态奥氏体，使材料具有低屈强比特性，同时，部分奥氏体在成形过程中发生TRIP效应，获得良好的成形性能（图5）。

图5 Fe-7.4Mn-0.24C合金的组织演变

（ad）热变形形貌的初始组织；（eg）应变时效过程中的组织演变

成形后组织中仍残留10%以上的高稳定性纳米级奥氏体，可以进一步提高零件服役过程中的强度和塑性，最终的结果是热加工后材料的屈服强度不足1000 MPa，而经过应变-时效处理后，材料的屈服强度提高到1760~2343MPa，提高了一倍多，同时在适当的变形范围内保持了10%以上的均匀伸长率（图6）。

图6 Fe-7.4Mn-0.24C的力学性能

高屈服强度归功于成形过程中的加工硬化和低温回火处理的烘烤硬化效应，在该合金体系中烘烤硬化效应最高可达465 MPa，为迄今为止已知的最高水平。此外，在2GPa的高屈服条件下，仍可获得均匀伸长率大于10%的残余塑性。关键机理是Luders带较低的平均加工硬化速率和较慢的TRIP效应降低了材料加工硬化的消耗速率。该技术应用于0.34C/0.39C等中锰合金，可实现屈服强度高达2300MPa、均匀伸长率大于10%的极端零件性能（图7），远优于同强度水平的其他材料。体系所能承受的最佳变形各不相同，可针对不同复杂程度的结构材料进行量身定制。 2023年5月，相关研究成果以“利用应变时效技术在成形部件中实现前所未有的2.2 GPa屈服强度和高延展性”为题发表在金属领域顶级期刊Scripta Materialia（2023, 233: 115521）上。这有效解决了超高强度钢应用的技术瓶颈之一——成形困难的问题。此外，由于该系列设计的合金在室温下可获得更高的奥氏体体积分数，其焊接性能优于传统超高强度钢。评估研究正在进行中。

图7 Fe-7.4Mn-0.24C合金和Fe-7.8Mn-0.39C合金的力学性能

四、应用及效果

本研究提出的“马氏体拓扑结构设计+亚稳相调控”新型塑性机理具有很强的普适性，为超高强度塑性钢开辟了新的研究方向，有利于充分挖掘材料潜力，加速推动超高强度钢在重点行业、军工等领域的实用化，提升我国战略国防科技实力。该机理的普适性可体现在两个方面：第一，该机理可应用于轧制、锻造等多个领域，可生产大尺寸轴类、薄板、厚板等；第二，该机理适用于不同的合金体系，其取代元素Mn、Ni、Cr可替代，提高材料的韧性、耐磨性、耐腐蚀性。

如图8所示，采用该机制，合金Fe-0.34C-7.4Mn经热轧、冷轧后热处理可获得2200~2650 MPa抗拉强度、10%以上均匀伸长率的优异性能。该类材料可灵活制备从薄到厚的规格，由于合金淬硬性足够高，板材厚度可覆盖1mm至几百mm范围，满足多样应用场景的需求，图9为不同合金体系中该机制的应用效果，实现了超高强度-超高塑性的力学性能。

图8 Fe-7.4Mn-0.34C合金热轧(a)和冷轧(b)后的力学性能

图9 含Ni合金（a）Fe-0.4C-5Mn和（b）Fe-0.34C-7.4Mn

这种组织结构设计思路可以实现2000MPa以上超高强度钢强度、塑性和韧性的同步提高。目前已在汽车用钢、装甲用钢、盾构机刀环、飞机起落架等方面进行了材料设计，部分力学性能见表1、表2。可以看出，新材料与传统材料相比力学性能有明显提高，特别是塑性/韧性可以提高一倍。

表1 新型装甲钢材料设计

表2 刀环新材料的开发

“2000MPa级超高强度钢塑化新机制”项目入选“2023年世界钢铁行业十大科技新闻”，获得高度评价：“该项目创新性地提出了超高强度钢塑化新机制，实现了一系列关键技术创新，突破了2000MPa级超高强度钢的性能极限，具有重要的科学价值”。研究成果得到《科学》杂志的认可：“实现了工艺、成分、性能和机理等方面的多重创新，具有重要的科学价值，可用于大规模工业化生产，将有力支撑下一代高性能钢的长期可持续发展，突破材料性能的界限，降低能源消耗，提高材料的可回收性，促进循环经济。”

该项目已提出相应的解决方案，有望在汽车、工程机械、深海、深地等领域得到实际应用，目前我们正在积极推动这一成果的落地。