為了實現輕量化和提高結構部件的能源利用效率，橋梁、船舶和汽車等領域對同時具有高強度和大塑性的先進高性能鋼提出了很高的要求。馬氏體時效鋼中，硬質金屬間化合物顆粒分散在馬氏體基體中，是實際應用中最堅固的合金之一。然而，馬氏體時效鋼的廣泛應用受到其成本高、合金元素純度高(如所需的Ni、Co含量為18wt%，≥純度為99.99%)和塑性差(～5%)的限制。奧氏體-馬氏體雙相鋼（其中硬馬氏體/鐵素體限制軟奧氏體的變形）可以提供強度和塑性的良好組合，并緩解它們之間的矛盾關系。但奧氏體含量對雙相鋼析出強化和拉伸塑性的影響尚未得到系統的研究，因此迫切需要對其強度-塑性進行優化。因此研發低成本且具備超高強度和大的均勻塑性變形能力的超強雙相鋼是材料領域的重要發展方向之一。

為了降低馬氏體時效鋼的成本，在不犧牲強度的情況下提高其塑性，北科大溫玉仁團隊用廉價的Mn部分替代了昂貴的Ni元素。借助熱力學模擬、成分篩選和關鍵實驗相結合的方法，調整奧氏體含量和熱處理工藝，制備出了極限抗拉強度1600MPa塑性～7%的超強雙相鋼。同時，對Mn含量和熱處理工藝對力學性能的影響進行了機理研究，結果表明：簡單地提高奧氏體的相含量并不會明顯提高鋼的塑性，Mn穩定的奧氏體轉變會與鐵素體中的B2析出產生一種類似競爭的關系，導致在奧氏體含量超過鐵素體后，沒有B2析出反應。因此改進熱處理工藝發現，通過硬時效(軋制后直接時效)，相比軟時效可以同時提高雙相高強鋼的強度和塑性。以上結論給下一代低成本、高強韌鋼的研發奠定了基礎。相關成果以題為“Influences of manganese content and heat treatmenton mechanical properties of precipitation-strengthened steels”發表在Materials Science & Engineering A。北京科技大學材料科學與工程學院溫玉仁副教授（通訊作者），碩士生梁鎏凝和神華集團低碳清潔能源研究所蔣復國為共同第一作者。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.142724

本研究中高強度來自于基體內高密度且細小的B2納米析出相、高密度位錯及晶粒細化。超高強度下強塑性協同效應的改善歸功于相變誘發塑性(TRIP)和超細晶尺寸，兩者都使斷裂模式由穿晶解理斷裂轉變為韌窩塑性斷裂。

圖1 CR、HA、SS和SA試樣的熱處理示意圖

圖2 固溶處理（SS）和軟態時效（SA）樣品的XRD圖譜

研究發現對于固溶（SS）淬火后的時效（軟態時效，SA），要實現體心立方基體中B2的析出，奧氏體相的含量應小于體心立方相分數。對于奧氏體體積分數大于50%的9Mn合金，軟態時效過程中奧氏體逆轉變阻礙B2的析出，圖7顯示DSC分析的放熱峰和吸熱峰分別對應于B2析出和奧氏體回復，9Mn SS樣品兩個峰重疊，導致幾乎沒有沉淀硬化效應，導致軟態時效強度較低。冷軋過程中儲存的晶體缺陷增強了B2析出，導致9Mn HA樣品的析出強化效果顯著。從而獲得了超高的極限強度(～1600 MPa)，拉伸塑性(～7%)比軟態時效合金(～1450 MPa和～5%)有所提高。這項工作表明，通過添加錳和硬態時效來提高超高強度鋼的塑性是一種比較有前景的策略。

圖3 不同加工方式及熱處理樣品的工程應力應變曲線

圖4 不同加工方式及熱處理樣品的背散射電子衍射（EBSD）反極圖（IPF）

圖5 8MnSA，9Mn CR70%，9Mn CR70%HA和9Mn CR90% HA試樣的明場像（BF-TEM）及相應選區電子衍射（SAED）。

圖6 （a,c）9Mn CR70%和（b）9MnCR70%HA樣本的高角環形暗場像(HADDF)。（c）從[001]帶軸拍攝的高角環形暗場像顯示（d）基體和（e）B2析出物的快速傅里葉變換（FFT）。

圖7 固溶（SS）和冷軋70%（CR70%）狀態下樣品的DSC加熱曲線