低溫工程概念廣泛應用于先進能源、國防軍工及大科學裝置建設等國家戰略工程領域。具有米級直徑的大型低溫工程鍛件是現代航空航天及石化工業領域裝備的核心部件。在低溫及復雜交變載荷工況下，該大型鍛件需兼備高強度及良好低溫韌性。雖然當前常用低溫馬氏體時效鋼具備高強度，但受到材料“尺寸效應”制約，該類型鋼厚大斷面鍛件仍存在低溫韌性不足、內外組織性能不均勻等突出問題，使得重大低溫工程項目建設受到掣肘。

為解決該實際工程問題，中科院金屬所先進鋼鐵材料研究部孫明月、李殿中團隊突破了傳統馬氏體時效鋼“高溫固溶+峰時效”常規熱處理工藝局限，提出了一種“兩次低溫固溶+中溫過時效”新型熱處理工藝（圖1），制備出了具有超細晶雙相組織的馬氏體時效鋼。相比于常規工藝，新型實驗鋼的-196℃超低溫沖擊功提升10倍以上（AKV：~140 J），同時屈服強度無顯著衰減（圖2）。

該團隊進一步與香港大學機械工程系黃明欣團隊合作，發現盡管過時效后鋼中形成50%體積分數的奧氏體（圖3），但高密度Ni3（Ti,Al） 納米增強顆粒在“馬氏體+奧氏體”雙相結構中共析出特征保證了高強度（圖4~圖6）；優異的低溫韌性來源于：超細晶特征結構，高含量無韌脆轉變特性FCC奧氏體相及其在沖擊過程中發生的相變誘導塑性（TRIP）韌化效應，如圖7所示。

相關論文以題為“Ultrafine-graineddual-phase maraging steel with high strength and excellent cryogenic toughness”發表在Acta Materialia。本文第一作者為中科院金屬所博士生張洪林，通訊作者為中科院金屬所孫明月研究員和香港大學黃明欣教授，合作者還包括中科院金屬所徐斌項目研究員、李殿中研究員和李依依院士，中國空氣動力研究與發展中心馬東平高級工程師，香港大學博士生劉宇軒。本工作得到國家重點研發計劃，國家自然科學基金，中科院重點部署項目和創新交叉團隊等項目支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116878

圖1 （a）新型熱處理工藝路線，包括預固溶（P-ST）、常規固溶（N-ST）處理及500℃過時效處理；（b）常規熱處理工藝路線，包括高溫固溶及500℃峰時效。

圖2 （a）新型實驗鋼室溫強度，-196℃低溫沖擊吸收功隨時效時間的變化，方形符號代表常規熱處理實驗鋼力學性能；（b）不同溫度下新型實驗鋼沖擊吸收功及其與其他結構材料的（c）室溫屈服強度，-196℃低溫沖擊吸收功的比較。

圖3 EBSD表征馬氏體（綠色）及奧氏體（黃色）雙相分布：（a, b）新型實驗鋼及（c）常規熱處理實驗鋼；不同時間時效后（d）馬氏體板條束及奧氏體晶粒尺寸變化，（e）奧氏體含量變化。

圖4 APT表征新型實驗鋼“馬氏體+奧氏體”雙相中Ni3（Ti,Al）析出相：（a）基于Ni、Ti等濃度面的三維組織重構；（b）Ni、Ti及Al元素二維濃度分布；（c）多相組織的一維濃度分布；（d）奧氏體中析出相等濃度分布。

圖5 高分辨TEM表征新型實驗鋼中納米增強相的析出：（a）h-Ni3（Ti,Al）析出相位于馬氏體/奧氏體相界面；快速傅里葉變換圖像：（b）馬氏體/奧氏體相界面，（c）h析出相/奧氏體相界面，（d）h析出相/馬氏體相界面；（e）環形明場掃描TEM圖像，（f）析出相能譜及（g）放大后高分辨TEM圖像顯示奧氏體內部的h析出相。

圖6 （a）基于高斯擬合得到不同時間時效后馬氏體中h析出相的長度、半徑及間距的統計值；（b）不同時間時效后奧氏體及馬氏體平均納米硬度值，表明新型實驗鋼中奧氏體具有與馬氏體相當的高硬度。

圖7 低溫斷裂特征及韌化機制：（a, b）新型實驗鋼韌性沖擊斷口形貌，（c）常規熱處理實驗鋼脆性沖擊斷口形貌；（d,e, h, i）新型實驗鋼的TRIP效應增韌；（f, g）常規熱處理實驗鋼穿晶脆性斷裂特征。

本研究提出的新型熱處理工藝路線，具有較寬的工業生產窗口，有利于提升厚大截面馬氏體時效鋼力學性能均勻性，可作為高性能大型低溫工程鍛件的潛在研制方案。