近日，鋼鐵研究總院特殊鋼研究院劉振寶教授團隊及南京理工大學沙剛教授團隊通過合金設計及熱處理工藝調控研發了一種新型2.2 GPa級超高強度不銹鋼，其室溫力學性能指標為：屈服強度1876 MPa、抗拉強度2259 MPa、斷后伸長率11.5 %、斷面收縮率52 %以及平面斷裂韌性43 MPa·m0.5。并基于多尺度、多層級表征結果，針對該合金體系鋼種，提出了一種簡單有效的優化其強-塑性匹配的熱處理工藝，即雙重時效處理工藝。相關成果以“Enhanced strength-ductility synergy in a new 2.2 GPa grade ultra-high strength stainless steel with balanced fracture toughness: elucidating the role of duplex aging treatment”為題發表于Journal of Alloys and Compounds。劉振寶教授為第一作者及通訊作者，楊哲博士為共同通訊作者。

論文連接：https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.167135

馬氏體超高強度不銹鋼因其優異的強度-塑性-斷裂韌性匹配、良好的耐蝕性及應力腐蝕抗力，作為高性能結構材料，廣泛應用于航空航天、石油化工及海洋工程等高端制造業領域。為了實現各型裝備提升燃油效率、結構安全性的設計要求，須在研發更高強度級別超高強度不銹鋼的基礎上，進一步優化其強-塑性匹配。在不改變鋼的合金配比的前提下，僅通過時效處理工藝調控，向鋼中引入多種類納米級析出相及韌性奧氏體組織即可實現其綜合力學性能的提升。

熱處理工藝調控是有效提高鋼鐵材料綜合服役性能的工藝方法。時效處理過程中，從過飽和馬氏體基體中析出的高密度第二相強化顆粒可作為位錯運動的有效“障礙”，從而產生強烈的時效硬化效應、提升材料強度，但其不利于塑、韌性增強。不同種類析出相復合析出及于馬氏體板條處部分逆轉變形成的薄膜狀奧氏體組織可顯著優化馬氏體高強鋼的強-塑性匹配。

本文首次采用獨特的雙重時效處理工藝，通過引入三種不同種類高密度納米級析出相（M2C、Laves相、α’Cr）及韌性逆轉變奧氏體，獲得了具有良好塑、韌性的2.2 GPa級超高強度不銹鋼。且相較于單次時效處理工藝，第二次時效處理過程中，Laves相體積分數增加、富Cr基體調幅分解加劇（α’Cr進一步析出）及逆轉變奧氏體含量增加同時提升了試驗鋼的強-塑性。上述研究結果表明采用雙重時效處理工藝可調控析出相及奧氏體體積分數、基體調幅分解程度，有效優化了該合金體系超高強度不銹鋼強-塑性匹配。

經雙重時效處理后，試驗鋼的強度（屈服、抗拉強度）和塑性（斷后伸長率及面縮）同時提升，且雙重時效態試驗鋼的抗拉強度-平面斷裂韌度匹配在現有報道的超高強度不銹鋼中最優。經多層級、多尺度表征結果統計表明，單、雙時效態試驗鋼板條馬氏體層級亞結構（原奧氏體晶粒、板條束、板條塊及板條）的平均尺寸不存在顯著差異。因此，單、雙時效態試驗鋼的力學性能差異應主要取決于雙重時效處理過程中納米析出相及逆轉變奧氏體的析出行為。

結合透射電鏡、三維原子探針(3D-APT)表征及Thermo-calc熱力學計算結果，發現經時效處理后鋼中析出針狀高密度碳化物(M2C)、富Mo金屬間化合物相(Laves相)以及由調幅分解產生的、與α-Fe基體完全共格的α’Cr。經雙重時效處理后，三類析出相的體積分數均呈上升趨勢。其中，M2C體積分數變化較小，Laves相及α’Cr體積分數則大幅提高。由XRD及EBSD表征結果可知，雖時效態試驗鋼中奧氏體積分分數處于較低水平，但經雙重時效處理后鋼中奧氏體體積分數顯著增加。

分別使用Orowan繞過、切過機制及Ardell模型（該模型充分考慮了調幅分解的擴散特性及非典型正弦濃度波特征，且采用調幅分解波長及振幅參數進行計算）分別計算M2C、Laves相、α’Cr析出強化機制對于試驗鋼室溫屈服強度的貢獻量。結果表明：雙重時效處理后，Laves相的進一步析出及基體調幅分解的加劇是試驗鋼進一步強化的原因。其中，Laves相引發屈服強度增量最大，而α’Cr相貢獻強度增量增速最高。其塑性同步提升機制在于納米級析出相不僅可有效阻礙位錯，亦可延緩形變局部化及頸縮失穩進程，并通過促進位錯在激活滑移面的均勻滑移從而均勻化形變。此外，逆轉變奧氏體含量的提升可有效促進協同形變及應力-應變配分。

通過雙重時效處理工藝向板條馬氏體基體中引入高密度不同種類納米級析出相及逆轉變奧氏體，進一步優化了新型試驗鋼的強-塑性匹配，獲得了具有良好塑性、斷裂韌性的2.2 GPa級超高強度不銹鋼。為該鋼種強-塑性匹配優化提供了全新的簡單、可靠的熱處理工藝方案。

圖1. (a) 單次時效熱處理工藝圖; (b) 雙重時效熱處理工藝圖

圖2. (a) 不同熱處理態試驗鋼應力-應變曲線 (ST-固溶態, FAT-單次時效態, SAT-雙重時效態); (b) 抗拉強度vs.平面斷裂韌度Ashby圖

圖3. 雙重時效態試樣鋼TEM表征結果(a) 低倍率暗場像; (b) 圖(a)中綠色框選區域的高倍率高角環形暗場(HADDF)相; (c-e) EDS面掃能譜(Fe/Cr, Fe/Mo, C) ; (f) [001]α軸入射電子束得高分辨原子相; (g) 圖(f)中紅色框選區域快速傅里葉變換所得衍射斑點及其標定結果

圖4. 雙重時效態試樣APT表征結果：(a) 富Mo相(Laves相)及碳化物(M2C相)析出(選取等濃度面為10 at.% C, 10 at.% Mo以及10 at.% C); 反映選定區域(Region of Interest, ROI)(b) ROI-7及(c) ROI-9沿黃色箭頭方向元素分布的鄰近直方圖(Proximity histogram)

圖5. 單、雙時效態試樣鋼Cr原子最臨界原子分布分析結果(a) 單時效態; (b) 雙時效態; (c) 時效態試驗鋼Cr-Cr原子對徑向分布函數分析結果

圖6. 時效處理過程鋼中微觀組織演變示意圖