導讀：本文提出一種基于碳化物析出的新型馬氏體時效鋼。并設計了兩種合金，即Fe-10Mn-0.25C-2Cr-1Mo wt％（2CrMo）和Fe-10Mn-0.25C-1Cr-2Mo wt％（Cr2Mo）以實現超高強度和高延伸率。合金是通過一般熔煉，鑄造和熱加工工藝制造的。兩種合金通過富鉻和富鉬的碳化物和富錳的回復奧氏體的同時析出而改善性能。觀察到的微觀結構主要由微米級和納米級Mn偏析主導，這些偏析決定了局部的Ac3溫度。兩種合金均發生奧氏體回復，兩種情況均在16h達到峰值。時效16小時后獲得的復雜的微觀結構使強度達到了1.3GPa，伸長率達到了18％。高強度高延伸率主要是由于略微過時效但仍然較強的馬氏體和30％的奧氏體相結合提高了加工硬化和延伸率。

在汽車領域，特別是對于輕量化而言，開發具有1GPa以上的極限拉伸強度和15-20％的拉伸伸長率的廉價鋼是至關重要的要求。最初的高強度鋼是1950年代后期開發的鎳馬氏體時效鋼，其基本原理是使用替代元素在低碳鐵鎳馬氏體基體中進行時效硬化，并在時效過程中形成大量的細金屬間析出物。為了降低成本，Goldstein等人在1960年使用Mn作為替代奧氏體穩定劑，并報道了通過奧氏體向馬氏體的相變誘導塑性（TRIP）機理獲得的優異韌性。這導致對提高性能的含錳TRIP鋼的大量研究。最近，Raabe及其同事報道了無碳和9-15％Mn的馬氏體時效鋼表現出1-1.5 GPa的極好拉伸強度，總拉伸伸長率為15-20％。這些性質歸因于在時效熱處理過程中非常細的納米級金屬間化合物的析出。

大量學者對TRIP鋼進行了廣泛的研究，其顯微組織由至少5％的殘留奧氏體嵌入貝氏體，馬氏體和鐵素體基體。在TRIP鋼的塑性變形過程中，奧氏體轉變為馬氏體，從而顯著增強了材料性能并導致硬化。TRIP鋼的初始加工硬化率低于雙相（DP）鋼，但是在較高的應變下，DP鋼的加工硬化開始減少時，硬化率仍然存在。

基于此，英國謝菲爾德大學、伯明翰大學、劍橋大學聯合報告了一種低成本，高延展性，高強度的含碳奧氏體-馬氏體鋼的新穎設計方法。其極限抗拉強度高達1.3 GPa，拉伸伸長率達到15-18％，這歸功于熱處理過程中的碳化物沉淀以及奧氏體的TRIP效應。兩種鋼均基于10％的Mn，并少量添加C，Cr和Mo形成納米析出。合金之間的主要區別是Cr和Mo含量。這將使它們所含的奧氏體含量有所不同（Cr含量的增加和Mo含量的降低會導致鐵素體和奧氏體之間的平衡轉變溫度升高）以及相沉淀動力學的變化。相關研究結果以題“Effect of ageing on the microstructural evolution in a new design of maraging steels with carbon”發表在Acta Materialia上。

這種新的合金設計理念表明可以掩蓋無碳馬氏體時效鋼和超高強度鋼中存在的一個主要矛盾問題：促進納米級同時析出，以實現高強度；并還原至少30％的奧氏體以提高延展性。這些性能是通過添加Mn，Cr，Mo和C的最佳組合來實現的，這使得相變行為相互依存，最佳的顯微組織包括具有大量碳化物析出的馬氏體和奧氏體，該回復奧氏體表現出廣泛的TRIP效應，這對于獲得高強度和延展性的組合是非常重要的。

圖2 應用于合金的形變熱處理示意圖。

圖3 合金510℃時效不同時間的應力應變曲線，（a）2CrMo的拉伸曲線；（b）Cr2Mo的拉伸曲線；（c）2CrMo的加工硬化率曲線；（d）Cr2Mo的加工硬化率曲線。

圖4 （a）2CrMo合金；在870°C下奧氏體化處理1h的兩種鋼的光學顯微照片和XRD相分析。（b）Cr2Mo合金；（c）兩種鋼的XRD。

兩種合金中均發生Mn偏析，這導致微觀結構的某些區域在Ac3之上時效，而其他區域在Ac 3之下時效。事實證明，這對提高機械性能很有幫助。2CrMo合金中富錳區域的時效遠高于Ac3溫度，導致形成球狀奧氏體。

圖5 時效2CrMo鋼的顯微照片

圖6 Cr2Mo鋼的顯微照片

在2CrMo鋼中，加熱至時效溫度時發生碳化物析出（M3C和M7C3）。碳化物的沉淀似乎阻止了Mn偏析到馬氏體板條邊界。碳化物在時效過程中逐漸溶解，直到在510°C下48h后都消失了。時效過程中碳化物的溶解促進了局部轉變為奧氏體。碳化物對合金的強度沒有很大的貢獻。

圖7 2CrMo的EBSD圖顯示了從（ac）510°C持續5h時效后的顯微組織演變；（df）510°C持續8h; （gi）510°C持續16h；（jl）510°C持續48h。反極圖（IPF）映射（a，d，g，j）顯示了相對于RD（軋制方向）的晶粒取向；（b，e，h，k）相圖，FCC還原奧氏體為藍色，馬氏體為紅色；（c，f，i，l）能帶對比圖，顯示了兩個相的形態。

圖8 Cr2Mo（a-c） 510℃5h時的EBSD圖；（d-f） 510℃8小時；（g-i） 510℃16h;（j-l） 510℃48小時

圖9 2CrMo時效5小時后TEM和STEM顯微照片

圖10 時效8h（ad）和16h（ad）的樣品 拉伸試驗后的EBSD圖：（a，b）2CrMo在拉伸試驗后顯示出一些奧氏體保留；（c，d）拉伸試驗后，Cr2Mo幾乎沒有顯示奧氏體；（e，f）2CrMo在拉伸試驗后幾乎沒有顯示出奧氏體；（g，h）Cr2Mo在拉伸試驗后幾乎沒有顯示出奧氏體。（a，c）是IPF圖，（b，c）是相位圖。（IPF：反極圖；相圖：藍變奧氏體，紅馬氏體）。

圖11 顯微組織演變示意圖，顯示了兩種鋼的碳化物沉淀，Mn偏析以及還原奧氏體的位置和形態。

研究表明：時效16h的合金具有最大的強度和延展性。這與包括馬氏體，碳化物在馬氏體板條邊界和回復奧氏體中的沉淀以及最大含量回復奧氏體的顯微組織有關。回復奧氏體在拉伸試驗中完全轉變，因此TRIP效應對強度和延展性起了主要作用。