一、研究的背景與問題

進入21世紀，鋼材材料仍是占主導地位的先進結構材料。經濟建設和社會發展要求大幅度提高鋼的強韌性，發展適應不同要求的品種，改善鋼材質量，降低生產成本，按照可持續發展的要求，開發與人類友好的基礎材料，已成為從事鋼鐵材料研究和生產單位的歷史任務。合金化是常用的一種提高材料性能的有效手段，為了滿足人類社會發展對于材料性能不斷提出的新要求，材料中添加的合金元素越來越多，元素周期表中幾乎所有可能的元素都被用于材料的合金化。材料的高度合金化雖然能獲得更佳的使役性能，但是也使得材料的成本急劇增加和回收難度變得愈發困難。那么在保證優良使役性能的前提下，如何減輕對資源的依賴，實現可持續發展，就需要開拓新的發展路徑。

基于此，盧柯院士提出“材料素化”的概念，即在不改變材料成分的前提下，通過調控材料不同尺度的缺陷來制造出可持續發展的“素材料”，實現材料“素化”，不（或少）依賴合金化并大幅提高材料的綜合性能，其中細晶強化就是一個典型例子。晶粒越細小，組織中晶界面積越大，對位錯滑移運動的阻礙作用越大，這會增大材料變形時所需壓迫的切應力，因此提高了材料的屈服強度；晶粒細化后，晶界密度的增加可以促進鉻向表面的擴散，并能快速形富含鉻的均勻鈍化膜，從而提供更好的耐蝕性；此外，隨著有效晶粒尺寸的減小，韌脆轉變溫度降低，材料的韌性提高，這主要取決于鋼材大角度晶界密度增大，阻礙解離裂紋擴展。超細晶材料因其在材料中無須額外添加合金元素、高純凈、回收再利用簡單而成為先進結構材料的重要研究方向。

“納米晶體材料”自提出以來，一直是科學研究領域的熱點。納米晶金屬材料通常具有良好的強塑性匹配和耐磨性、優異的耐腐蝕性能、低溫超塑性及生物相容性、高熱穩定性和抗輻照性能等特點，因此其應用前景十分廣闊。目前，關于納米晶金屬材料的制備及研究正方興未艾，特別是塊體納米晶材料，因其性能潛力巨大、制備過程復雜且難度極高而尤為科學家們所關注。

當金屬的晶粒尺寸減小至納米級時，強度和硬度將顯著提高，然而塑性和韌性會明顯下降。這種強度和塑性的“倒置關系”普遍存在于傳統的合金化材料中，這制約了納米金屬材料的應用。最新研究表明，通過對金屬材料顯微組織進行跨尺度多級界面調控，既可以保證納米結構帶來的性能優勢，又能克服納米結構的一些性能缺點。

二、解決問題的思路與技術方案

奧氏體不銹鋼由于具有無磁、耐腐蝕性、耐高溫性、易成形、易焊接等特性，被廣泛應用于各類民用及核電國防等領域。同時，隨著節能減排需求的日益增長以及汽車安全規范的日趨嚴格，汽車行業迫切需要開發具有優異性能的材料。奧氏體不銹鋼由于通過加工硬化可以將其強度和塑性在很大范圍內進行調整，因此逐漸在汽車碰撞零部件的制作材料中占據一席之地。值得一提的是，美國SpaceX公司的馬斯克指出，構成“星艦火箭”的艦體以及“超重型”火箭助推器的設計材料將由最為先進的C纖維材料改用300系不銹鋼。然而，奧氏體不銹鋼的屈服強度普遍較低，嚴重限制了其在工程結構領域的應用。因此，如何在不過度損害其他優良性能的前提下，提高奧氏體不銹鋼的強度已然成為科研工作者不懈努力的方向。

針對奧氏體不銹鋼屈服強度偏低這一不足，東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室杜林秀教授團隊以304不銹鋼為研究對象，基于前期研究基礎并結合企業當前工藝裝備條件，利用變形誘導馬氏體相變及逆相變退火的耦合作用并結合循環相變細晶原理，提出通過熱軋-冷軋-退火一體化控制，利用多階段冷軋-退火工藝實現實驗鋼的組織納米/亞微米化，將屈服強度提高了約3~4倍。

圖1納米/亞微米晶鋼制備工藝示意圖

通過控制冷軋及退火工藝，形成了多尺度納米/亞微米晶奧氏體組織，可獲得屈服強度約900MPa，延伸率約為45%的優異的強塑性匹配；研究了等溫退火對馬氏體逆相變和殘余奧氏體再結晶行為的影響規律，明確了加熱過程中加熱速率對馬氏體逆相變機制的作用機制，探究并分析了納米/亞微米晶304不銹鋼的加工硬化行為及其低溫超塑性。

圖2(a)304不銹鋼初始熱軋組織；(b)制備的納米/亞微米晶組織

圖3不同異質結構的奧氏體組織及其工程應力-工程應變曲線

研究了納米/亞微米晶（晶粒尺寸約200nm）304不銹鋼的低溫（<0.5Tm）超塑性行為，發現其在600℃表現出類超塑性行為，延伸率>150%；在630℃表現出典型的超塑性行為，最大延伸率超過300%，其超塑性變形機制為晶界滑動，協調變形機制包括晶界遷移和位錯滑移。低溫超塑性的發現進一步拓寬了其在高溫領域的應用。

圖4納米/亞微米晶304不銹鋼不同溫度下的拉伸曲線

三、主要創新性成果

基于前期課題組關于納米/亞微米晶鋼的研究基礎，以304不銹鋼為研究對象，旨在制備出大尺寸高強塑性的納米/亞微米晶奧氏體不銹鋼，并圍繞組織納米化機理（包括變形過程中的馬氏體相變和退火過程中的逆相變機制）、強塑性控制、塑性變形機制、加工硬化行為、低溫超塑性行為、耐腐蝕性能等展開一系列研究，以期能為高強塑性納米/亞微米晶鋼的制備提供一定的理論依據，為后續實際工業生產提供一定的理論指導。主要創新性成果如下：

1、研究了加熱速率對馬氏體→奧氏體逆相變機制的影響，發現加熱速率＜10°C/s，逆相變機制為擴散型，形成100~500nm的等軸奧氏體；加熱速率＞40°C/s，逆相變機制為切變型，形成高位錯密度的不均勻層狀組織，使材料具有高強塑性。

2、細晶強化使均勻的納米/亞微米晶鋼具有極高的屈服強度(＞1GPa)，良好的延伸率(＞30%)源于大的呂德斯應變；在納米/亞微米晶基體中引入部分再結晶粗晶可有效消除呂德斯變形，形成的多尺度納米/超細晶組織具有優異的強塑性匹配。

3、制備的納米/亞微米晶304不銹鋼在600°C具有類超塑性（最大延伸率Amax為153%），在630°C具有超塑性（Amax為300%）；超塑性變形機制為晶界滑動，同時通過晶界遷移和位錯運動協調變形；低溫超塑性的實現拓寬了高強納米晶鋼的應用。

4、研究了納米/亞微米晶奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性能，發現隨著晶粒的細化，材料的耐腐蝕性能明顯提高，其原因為納米/亞微米晶304不銹鋼鈍化膜增厚且穩定性提高。

四、應用情況與效果

本研究發表SCI論文8篇，授權國家發明專利3項，出版專著2部。基于本鋼不銹鋼冷軋丹東有限責任公司現有工藝裝備條件，實現了兼具高強高塑性的納米/亞微米晶304不銹鋼的工業化制備，屈服強度≥900MPa，延伸率>40%。該納米/亞微米晶冷軋不銹鋼適用于軌道車體、汽車結構及海洋軟管制造等領域。

圖5納米/亞微米晶304冷軋不銹鋼的工業化制備