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第一作者：羅海文

通訊作者：羅海文，王曉輝

通訊單位：北京科技大學

DOI：10.1016/j.jmst.2020.04.001

本文研究了1900 MPa級超高強馬氏體不銹鋼的強度與韌性的組織控制單元，得出馬氏體鋼的屈服強度與高角晶界所定義尺寸之間的關系符合經典Hall-Petch公式，而韌性則由大角和小角晶界上分布的殘余奧氏體所決定，其分布頻密度和力學穩定性與馬氏體鋼的韌性息息相關。

目前的超高強鋼幾乎都是以馬氏體為基體，而馬氏體是典型的多層次結構單元的組織，按微結構單元尺寸由大到小排列，分別為原奧晶粒尺寸（PAGS）、馬氏體塊（Packet）、馬氏體束（Block）、馬氏體板條（Lath）。搞清楚是哪一層級的微結構單元控制了馬氏體鋼的屈服強度和韌性，無疑對進一步提高馬氏體鋼強度和韌性具有重要的指導意義。然而，直到今天，決定馬氏體鋼強度和韌性的微結構單元并無定論，PAGS、Packet、Block、Lath等都被報道可能是分別控制屈服強度和韌性的控制組織單元，因此關于馬氏體鋼力學性能后面的組織機制目前依然處于眾說紛紜的狀態[1-8]。

基于此，本文通過熱變形和熱處理相結合的方式，將高合金馬氏體不銹鋼（Ms點約為90 oC）的原奧晶粒尺寸由76 μm細化至6 μm，馬氏體不同層級的微結構單元也得到不同程度的對應細化，如Packet隨著原奧細化而不斷細化；但Block和Lath尺寸當原奧細化至16 μm以下時就不再變化（圖 1）。對應的，當原奧氏體晶粒由76 μm細化至16 μm時，馬氏體鋼的屈服強度和韌性均隨之顯著改善；繼續細化時，強度繼續增加但幅度顯著減小，強化效果效果趨于飽和，而韌性幾乎沒有變化。

由于原奧晶界、馬氏體塊/束界均為大角晶界，對位錯運動有類似的阻礙作用，均導致位錯在高角晶界處堆積，因此，可將所有的大角晶界均考慮進來進而定義出一個大角晶界所構成的等效晶粒尺寸，我們發現該尺寸與馬氏體鋼屈服強度的關系高度符合經典Hall-Petch理論（圖 2），從而證實了屈服強度主要由大角晶界的密度所決定。由于馬氏體鋼中大角晶界中分數最大的是馬氏體束界（block boundary），因此這一類型的晶界對屈服強度貢獻最大。同時由于當PAGS細化至16 μm 以下時Block size不再顯著細化，因此屈服強度隨著原奧晶粒的細化而不再明顯增加。而韌性是由大角和小角晶界上所分布的殘奧晶粒的頻密程度和捕捉裂紋的能力所決定（圖 3），而當原奧晶粒細化至16 μm以下時，block （大角晶界主要貢獻者）和lath（唯一低角晶界）尺寸均不在變化，因此此時即使原奧氏晶粒進一步細化，韌性也不再改變。

本研究結果闡明了未來繼續提高馬氏體鋼強韌性所應遵循的組織路徑，即不斷增大馬氏體組織中的大角和小角晶界密度，如此既可以通過Hall-Petch關系提高屈服強度，也可以通過提高在這些界面上所殘留的奧氏體晶粒數量來改善韌性。但是通過不斷細化原奧晶粒的這一傳統方法存在上限，因為隨著原奧晶粒不斷細化，其增加大角和小角晶界的效果趨于飽和。未來進一步改善馬氏體鋼強韌性的途徑，在于找到促進馬氏體組織中形成更多界面的方法。

本研究由北京科技大學羅海文教授團隊與鋼鐵研究總院劉振寶教授團隊合作完成。

如果該結果啟發了您的研究，請引用：

H.W. Luo, X.H. Wang, Z.B. Liu, Z.Y. Yang, J. Mater. Sci. Technol.  51 （2020） 130–136

DOI：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.04.001   

圖 1 馬氏體各層級單元尺寸隨著原奧晶粒尺寸細化的變化

圖 2 馬氏體組織各層級單元尺寸與屈服強度的關系及Hall-Petch 分析，可以看出高角晶界定義的尺寸（HBs）最符合該經典理論。

圖 3 殘奧晶粒主要分布在高角晶界（以block 界為多）和低角的lath界上（薄膜狀），裂紋的擴展將撕裂各種類型的殘奧，導致裂紋擴展鄰近區域的塊狀殘奧幾乎轉變殆盡。

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