導讀：相變誘導塑性（TRIP）效應是提升馬氏體時效不銹鋼（MSSs）力學性能與加工硬化能力的最有效方法之一。然而，由于難以調控逆轉變奧氏體（RA）的穩定性，控制TRIP效應極具挑戰性。在本研究中，通過在逆轉變奧氏體中引入納米析出相，我們顯著提高了馬氏體時效不銹鋼的加工硬化能力。我們仔細研究了有納米析出相修飾和無納米析出相修飾的逆轉變奧氏體（分別記為RADP和RANDP）所起的作用。與RANDP相比，RA內Ni?(Ti, Mo)和富Mo相的析出，使得RADP中的堆垛層錯能（SFE）較低。在變形初始階段，由于堆垛層錯能低，RADP易發生TRIP效應，從而有效緩解應力。隨著變形進一步發展，RA內的納米析出相能夠阻礙1/6<112>肖克利不全位錯的運動，延緩相變，進而提高RA的穩定性。這使得應力能夠持續被吸收，并延緩裂紋的萌生與擴展。此外，基體中的納米析出相顯著提高了強度。最終，在馬氏體時效不銹鋼中實現了高強度、高延展性與加工硬化能力的良好結合。新開發的馬氏體時效不銹鋼屈服強度為1790 ± 24 MPa，抗拉強度為2140 ± 32 MPa，均勻伸長率為9.5 ± 1.3%，總伸長率為16.4 ± 1.1%。利用RA內的納米析出相來調控TRIP效應，為開發高性能馬氏體時效不銹鋼提供了一種新途徑。

馬氏體時效不銹鋼（MSSs）已廣泛應用于要求苛刻的海洋和航空航天領域。含有納米析出相和逆轉變奧氏體（RA）的馬氏體時效不銹鋼是一類獨特的結構材料，兼具超高強度與良好的延展性。馬氏體時效不銹鋼的強度主要源于析出強化，而延展性則主要來自于逆轉變奧氏體的相變誘導塑性（TRIP）效應。為獲得高強度的馬氏體時效鋼，常采用諸如共沉淀納米析出相、使析出相具有最小晶格錯配和高數量密度、核殼納米析出相或多種納米析出相共存等策略來提高馬氏體時效鋼的強度。上述策略可通過成分優化來實現。例如，焦等人通過調整鎳（Ni）和鋁（Al）的含量來控制銅（Cu）/鎳鋁（NiAl）的共沉淀。這使得納米析出相的尺寸從大于10納米減小至1 - 5納米的超細尺寸，顯著提高了強度。江等人提高了鋁含量，以獲得具有高數量密度和最小晶格錯配的鎳鋁相，從而激活更多滑移，增強了有序強化作用。李等人調節鈷（Co）的成分以形成核殼結構的Ni?Ti - Fe??Mn納米析出相，促進位錯增殖。田等人調整鈷含量以促進α′ - Cr的析出。采用Ni?Ti、富鉬相和α′ - Cr多相強化策略顯著提高了馬氏體時效不銹鋼的強度。這些納米析出相不僅在馬氏體基體中析出，還在高/低角度晶界（原奧氏體晶界或馬氏體板條界）處析出。在塑性變形過程中，這些位置容易發生位錯堆積，導致馬氏體時效不銹鋼過早斷裂。牛等人通過增加鉬含量抑制納米析出相在晶界處的析出，提高了高強度馬氏體時效不銹鋼的延展性。盡管通過調整成分控制納米析出相可提高強度和延展性，但提高馬氏體時效不銹鋼的加工硬化能力仍然具有挑戰性。    

引入逆轉變奧氏體是通過相變誘導塑性（TRIP）或孿晶誘導塑性（TWIP）效應提高延展性和加工硬化能力的最重要手段之一。然而，即使在超高強度的馬氏體時效不銹鋼中存在逆轉變奧氏體，提高延展性和加工硬化能力仍然是一個重大挑戰。因為逆轉變奧氏體的低穩定性會導致其因從面心立方（FCC）向密排六方（HCP）或體心立方（BCC）轉變而過早硬化。基體與逆轉變奧氏體之間的界面開始失去強度，隨后裂紋萌生、擴展，最終導致斷裂。因此，如何調整逆轉變奧氏體的穩定性并促進TRIP效應成為一個亟待解決的熱點問題。

以往的研究探討了奧氏體的尺寸、形態和成分對馬氏體時效不銹鋼TRIP效應的影響。索赫拉比等人報道稱，小尺寸的逆轉變奧氏體可增強TRIP效應。與塊狀逆轉變奧氏體相比，薄膜狀逆轉變奧氏體因其較高的穩定性而提高了TRIP效應。成分對奧氏體穩定性的影響主要取決于堆垛層錯能（SFE）。合金元素，如鎳（Ni）和碳（C），可增加堆垛層錯能并提高奧氏體穩定性，而鈷（Co）和鉻（Cr）則降低堆垛層錯能并降低奧氏體穩定性。在堆垛層錯能較低時，擴展位錯形核所需的臨界應力較低，導致面心立方結構的屈服強度較低。相反，在堆垛層錯能較高時，擴展位錯受到抑制。如果將堆垛層錯能控制在合理范圍內，可觸發多種變形機制，展現出優異的力學性能。劉等人在時效過程中利用高密度納米析出相的沉淀來控制面心立方高熵合金（FCC HEA）的堆垛層錯能。結合分子動力學（MD）模擬發現，這些納米析出相可為層錯的形核和擴展提供更多的位置和空間。在變形過程中，納米析出相促進了層錯網絡的形成，增強了高熵合金的加工硬化能力。此外，層錯的動態形成和細化通過減小平均自由程阻礙位錯運動，從而提高加工硬化能力。程等人利用碳化物的析出改善了由較低堆垛層錯能和更細尺寸納米孿晶組成的基體微觀結構。在塑性變形過程中，碳化物阻礙了孿晶的擴展，延緩了面心立方結構的轉變，顯著提高了鋼的延展性和加工硬化能力。朱等人通過使用納米尺寸的富銅相抑制層錯擴展，增加了含層錯納米析出相的強應力場，從而提高了17Mn鋼的力學性能。這些方法在提高TRIP效應以增強加工硬化能力方面顯示出巨大潛力。然而，會有輕微的強度損失。如何在不損失強度的情況下更好地調節TRIP效應已成為一個關鍵問題。    

為開發一種兼具高強度、高延展性和加工硬化能力的馬氏體時效不銹鋼的新策略，哈爾濱工程大學的李軍鵬團隊研究旨在設計一種具有相對穩定且可持續應變硬化的逆轉變奧氏體。實現這一條件的關鍵是使奧氏體具有較低的堆垛層錯能，以確保大量由層錯誘導的變形。此外，層錯誘導的變形應具有可持續性，即該過程中應存在阻礙因素以延緩其快速轉變。基于上述考慮，本研究適當調整了鉻（Cr）、鈷（Co）、鉬（Mo）、鎳（Ni）和錳（Mn）的含量，以便在馬氏體中引入含有低堆垛層錯能納米析出相的逆轉變奧氏體。鉻、鈷和鉬不僅是提高馬氏體時效不銹鋼強度的有效元素，也是降低堆垛層錯能的理想元素。鎳和錳則用于調整逆轉變奧氏體中的納米析出相和堆垛層錯能。    

在本研究中，通過在逆轉變奧氏體中引入納米析出相，有效地調節了TRIP效應，從而提高了加工硬化能力。利用X射線衍射（XRD）、透射電子顯微鏡（TEM）、三維原子探針斷層掃描（3D - APT）和電子背散射衍射（EBSD）對有納米析出相修飾和無納米析出相修飾的逆轉變奧氏體（分別記為RADP和RANDP）進行了研究。深入探討了這兩種逆轉變奧氏體的變形機制。RADP有效地提高了馬氏體時效不銹鋼的延展性和加工硬化能力，實現了強度和延展性的協同提高。研制出的馬氏體時效不銹鋼屈服強度為1790 MPa，抗拉強度為2140 MPa，總伸長率為16.4%。設計由納米析出相修飾的逆轉變奧氏體以調節TRIP效應是提高馬氏體時效不銹鋼力學性能和加工硬化能力的一種可行方法。

相關研究成果以“Enhancing work hardening through tuning TRIP by nano-precipitates in maraging stainless steels”發表在International Journal of Plasticity上  

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0749641925000269    

圖2. 基體微觀結構的表征。通過電子背散射衍射（EBSD）獲得的取向映射圖、等效有效晶粒尺寸分布以及相分布圖，

其中（a）、（d）和（g）為固溶處理（ST）的馬氏體時效不銹鋼（MSS），（b）、（e）和（h）為在200℃時效處理（SA200）的MSS，（c）、（f）和（i）為在300℃時效處理（SA300）的MSS。RD、ND和TD分別表示軋制方向、法向和橫向。    

表1. 根據原子探針斷層掃描（APT）和透射電子顯微鏡（TEM）結果得出的SA200和SA300馬氏體時效不銹鋼（MSSs）中納米析出相的等效半徑、數量密度和體積分數。

圖6. 基于圖5中透射電子顯微鏡（TEM）圖像得到的SA200馬氏體時效不銹鋼（a）和SA300馬氏體時效不銹鋼（b）的能譜（EDX）元素分布映射圖。

表2. 由圖6中能譜（EDX）映射測得的I - VI區域的元素成分（原子百分比）。

圖8. (a) SA300馬氏體時效不銹鋼中逆轉變奧氏體（RA）內 η 析出相和富鉬相的高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像。

(a1) η - Ni?Ti 和 (a2) 富鉬析出相的快速傅里葉變換（FFT）圖譜，取自圖5c中白色虛線框在(a)圖中的位置。(a3) 與(a)圖對應的元素分布圖。    

圖10. （a）SA200和（b）SA300馬氏體時效不銹鋼在不同應變下的X射線衍射圖譜。

圖11. 應變為6%時RADP（有納米析出相修飾的逆轉變奧氏體）的透射電子顯微鏡（TEM）圖像。    

(a) 明場TEM圖像。(b) (a)圖中黃色虛線框區域的放大圖。(b1) (b)圖中鎳（Ni）和鉬（Mo）對應的能譜（EDX）元素分布圖。(c) 富鉬相、(d) Ni?Ti相以及(b1)圖中白色虛線框內逆轉變奧氏體（RA）中層錯（SFs）相互作用的高分辨TEM圖像。藍色箭頭表示層錯。(c1) 應變為6%時RADP中富鉬相和(c2) 層錯的快速傅里葉變換（FFT）圖像。(c3) 層錯示意圖。(d1) 應變為6%時RADP中的層錯以及(d2) Ni?(Ti, Mo)的FFT圖像。

表3. 固溶強化常數（加林多 - 納瓦等人，2016年）

圖12. （a）SA200和（b）SA300馬氏體時效不銹鋼中納米析出相與位錯的相互作用。紅色箭頭表示繞過，綠色箭頭表示切過。    

圖13. 固溶處理（ST）、200℃時效處理（SA200）及300℃時效處理（SA300）的馬氏體時效不銹鋼（MSSs）中，各類強化機制的貢獻。

圖14. 室溫下屈服后，束流方向為<111>的軋制與動態再結晶后直接時效處理（RADP）的微合金鋼（MSS）的位錯分析，其中（a）g =02，（b）g = 220，（c）g =0，以及解離位錯的弱束暗場（WBDF）圖像（d）。室溫下屈服后，束流方向為<111>的軋制與退火后直接時效處理（RANDP）的微合金鋼（MSS）的位錯分析，其中（e）g =02，（f）g = 220，（g）g =0，以及解離位錯的弱束暗場（WBDF）圖像（h）。（i）部分位錯的解離寬度與位錯線和總柏氏矢量之間夾角的函數關系。A、B、C和D表示雙束條件下的部分位錯 。

圖15. 分子動力學（MD）模擬結果：

(a) 有納米析出相修飾的逆轉變奧氏體（RADP）的相結構圖像。

(b)、(c) 和 (d) RADP馬氏體時效不銹鋼（MSS）模型在不同應變下的平均應力。MD模擬結果還包括：(e) 無納米析出相修飾的逆轉變奧氏體（RANDP）的相結構圖像。    

圖16. 分子動力學（MD）模擬有納米析出相修飾的逆轉變奧氏體（RADP）從面心立方（FCC）到體心立方（BCC）轉變，應變分別為 (a) 4%、(b) 8% 和 (c) 12% 時的情況。MD模擬無納米析出相修飾的逆轉變奧氏體（RANDP）從FCC到BCC轉變，應變分別為 (d) 4%、(e) 8% 和 (f) 12% 時的情況。對RADP模擬中區域II，納米析出相與層錯（SFs）或BCC相互作用進行局部放大，應變分別為 (g) 4%、(h) 8% 和 (i) 12% 時的情況。黑色箭頭表示納米析出相對層錯或BCC的阻礙。模擬盒子尺寸：400×400×100 埃，應變率：2×10? s?¹。    

圖17. （a）有納米析出相修飾的逆轉變奧氏體（RADP）和（b）無納米析出相修飾的逆轉變奧氏體（RANDP）的變形機制示意圖。    

圖C1. 分子動力學（MD）模擬：(a) 有納米析出相修飾的逆轉變奧氏體（RADP） 以及 (a1) 無納米析出相修飾的逆轉變奧氏體（RANDP）在應變速率為2×10² s?¹ 時，應變分別為4%、8% 和12% 情況下從面心立方（FCC）到體心立方（BCC）的轉變。MD模擬：(b) RADP 以及 (b1) RANDP在應變速率為2×10? s?¹ 時，應變分別為4%、8% 和12% 情況下從FCC到BCC的轉變。模擬盒子尺寸：400 埃×400 埃×100 埃。    

圖C2. 分子動力學（MD）模擬：(a) 含納米析出相修飾的逆轉變奧氏體（RADP）以及(a1) 無納米析出相修飾的逆轉變奧氏體（RANDP）在應變速率為2×10² s?¹ 時，應變分別為4%、8%和12% 條件下從面心立方（FCC）到體心立方（BCC）的轉變。(b) RADP以及(b1) RANDP在應變速率為2×10? s?¹ 時，應變分別為4%、8%和12% 條件下從FCC到BCC的轉變。(c) RADP以及(c1) RANDP在應變速率為2×10? s?¹ 時，應變分別為4%、8%和12% 條件下從FCC到BCC的轉變。模擬盒子尺寸：400 埃×400 埃×300 埃。    

在本研究中，有納米析出相修飾的逆轉變奧氏體（RADP）有效地提升了相變誘導塑性（TRIP）效應，進而使馬氏體時效不銹鋼（MSSs）的強度和延展性得到協同提升。研究對RADP和無納米析出相修飾的逆轉變奧氏體（RANDP）的變形機制展開了探討，得出以下結論：

1. 在480°C時效處理時，當保溫時間延長至300小時，固溶處理（ST）、200℃時效處理（SA200）和300℃時效處理（SA300）的馬氏體時效不銹鋼基體未發生明顯變化。它們均由板條馬氏體構成，有效晶粒尺寸相近。SA200和SA300馬氏體時效不銹鋼的馬氏體基體中存在三種不同結構的納米析出相，即η - Ni?Ti、富Mo相和α′ - Cr析出相。SA200和SA300中η - Ni?Ti的尺寸和數量密度相近，富Mo相和α′ - Cr析出相在這兩種鋼中也呈現出相似的特征。

2. 與固溶處理的馬氏體時效不銹鋼相比，SA200和SA300馬氏體時效不銹鋼中的逆轉變奧氏體（RA）在基體中均勻分布。兩種鋼中RA的尺寸和體積分數相近。SA200馬氏體時效不銹鋼中的RA沒有納米析出相修飾，而SA300馬氏體時效不銹鋼中的RA有納米析出相修飾，這些析出相為Ni?(Ti, Mo)和富Mo相。RADP中納米析出相的析出消耗了RA中的溶質原子，導致其成分與RANDP不同，這使得RADP的固有層錯能低于RANDP。    

3. SA200馬氏體時效不銹鋼的RANDP表現出1780 ± 34 MPa的屈服強度（YS）、1960 ± 42 MPa的抗拉強度（TS）以及14.5 ± 1.4%的總伸長率（TE）。SA300馬氏體時效不銹鋼的RADP屈服強度為1790 ± 24 MPa，抗拉強度達到2140 ± 32 MPa，總伸長率為16.4 ± 1.1%。SA300馬氏體時效不銹鋼的加工硬化速率顯著高于SA200馬氏體時效不銹鋼。SA200和SA300馬氏體時效不銹鋼時效處理后屈服強度的提升，主要得益于基體中的η - Ni?Ti、富Mo相和α′ - Cr析出相。

4. 與RANDP相比，RADP因其固有層錯能較低，在初始變形階段易發生TRIP效應，這能有效吸收應力并降低應力集中。在進一步變形過程中，RADP中的納米析出相可以阻止1/6<112>肖克利不全位錯的移動，進一步延緩面心立方（FCC）向體心立方（BCC）的轉變，從而提高RA的穩定性。這使得RADP在變形過程中能提供持續穩定的TRIP效應，這很可能是SA300馬氏體時效不銹鋼具有高加工硬化能力和延展性的主要原因。