一、研究的背景与问题
超高强钢在交通、深海、航空航天以及国防军工等领域起着关键作用，是这些领域的关键材料。它能够满足国家对于大型装备在轻量化、安全性、极端服役环境以及特殊使用性能等方面的重大需求。然而，超高强钢普遍存在着一个共性的科学难题，即难以同时实现增强以及增塑/韧。特别是当强度达到 2000 MPa 时，其塑性会明显下降，均匀延伸率也会受到影响。
科研学者们针对金属材料的强塑性“倒置”关系提出了一系列办法，比如具有 TRIP/TWIP 效应的办法，还有梯度结构的办法、异质结构的办法以及位错工程的办法等。但是，由于上述机理、机制自身所需要的特定工艺，还有钢铁材料相变的复杂性以及 2000 MPa 级超高强度等这些因素，所以很难把上述机理、机制进行有机的结合，以用于开发具有高塑性的 2000 MPa 超高强度钢。引入亚稳相是当下提升强塑性的常用办法，可是在 2000 MPa 级超高强度的情况下，它的效果依然是有限的。马氏体时效钢是最高强度级别材料的代表。它通过纳米共格析出调控手段，能够获得良好的强韧性组合。然而，其均匀延伸率难以突破 8%。并且，制备这种钢需要消耗大量的 Co、Ni、Mo 等昂贵合金。近年来钢材性能8级，相继提出了一些制备 2000 MPa 超高强钢的新思路，这些新思路在中锰成分体系钢中得到了良好的应用。变形-配分（D&P）钢通过“位错工程+亚稳相 TRIP 效应”，能够达成 2.2GPa 的屈服强度以及 18%的均匀延伸率这一优异性能；运用快速加热技术制备的化学界面工程（CBE）钢，可以得到 2GPa 的抗拉强度以及 20%左右的均匀延伸率。这两项重要研究推动了高塑性 2GPa 金属材料的发展，为极端环境需求的材料提供了新的可能。然而，要获得优异性能，对工艺的依赖性较强。通常需要将热轧、冷轧、温轧、多次退火、快速热处理等多种方式结合起来。这给大规模生产制备带来了巨大挑战。同时，相应的产品规格局限于薄板，难以满足工程机械、深海、航空航天等特殊领域的苛刻要求。
探索新的共性机制，这很重要。要突破超高强钢性能“倒置”瓶颈，这也是关键。还要实现成分节约和绿色工艺的超高强钢低成本制备，这同样不可或缺。这些对推动我国装备制造业的高质量发展意义重大，并且将助力实现我国“双碳”战略目标。
二、解决问题的思路与技术方案
级超高强钢的硬相基体是马氏体。马氏体通常呈现出无序的几何排列方式，具有多层次结构，并且位错密度较高。在变形过程中，它极易发生应力/应变集中，这导致了它较差的变形能力，甚至会发生脆断。东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室研究团队从马氏体变形机理的根本入手。他们发现马氏体的性能是由空间几何排列结构和晶体学取向结构共同决定的。这是因为马氏体自身呈现为长条形晶粒形态，并且具有极高的位错密度。马氏体中密排面上的滑移系存在差异。板条面滑移系（In-lath-plane）的开动有助于提升马氏体的持续变形能力，进而提高高强马氏体的塑韧性。然而，该滑移系只有在有利的几何取向下才能够开动。所以，通过对马氏体亚结构的几何有序排列进行调控，有望进一步提升其塑韧性。
三、主要创新性成果
东北大学 RAL 实验室针对级超高强钢存在强塑性倒置的问题，围绕超高强钢的强韧化机理展开了基础理论研究，并且取得了多个具有原创性的理论与技术创新。其代表性进展具体如下：
提出一种增塑新机制，即“马氏体拓扑学结构设计+亚稳相调控”，从而突破了级超高强钢的性能极限。
研究团队基于一种思路，即通过调控马氏体亚结构的几何有序排列，有望进一步提高其塑韧性。基于此，他们创新提出了“马氏体拓扑学结构设计+亚稳相调控”的增塑新机制，并将该机制应用于两种低成本 C-Mn 系钢种，一种是 A 钢（Fe-0.34C-7.4Mn），另一种是 B 钢（Fe-0.39C-7.8Mn）。采用锻造工艺和低温回火工艺，对两种实验钢中的马氏体 - 奥氏体的形态以及稳定性进行调控，最终构建出一种全新的纳米级多层次组织结构钢材性能8级，这种组织结构包含拓扑学双重有序排列的马氏体和多尺度亚稳奥氏体。
3. 最后对实验钢进行低温回火处理，在回火过程中会发生 C 配分以及界面迁移等行为，最终得到了 21.3%体积分数且稳定性较高的亚稳奥氏体。该组织结构在介观尺度下，母相奥氏体和马氏体呈现出几何有序的排列，如（图 1）所示；在微观尺度方面，亚微米/纳米级的亚稳奥氏体镶嵌在马氏体板条之间，并且纳米析出相呈弥散分布，就像（图 2）所呈现的那样。该独特组织结构在变形过程中，能够激发板条界面位错滑移，能够激发界面塑性，能够激发相变诱发塑性（TRIP）等多种增强增塑机制（图 3）。它促使材料具备持续较高的加工硬化能力，从根本上对马氏体塑/韧性低的问题进行了改变，实现了 1600~1900 MPa 的屈服强度、2000~2400 MPa 的抗拉强度和 18%~25%的均匀延伸率这些极致性能（图 4）。它突破了对昂贵合金及复杂工艺的依赖，并且拓展了级超高强钢强度—塑性的性能边界。2023 年 1 月 13 日，超高强钢增塑新机制以及组织创新设计的研究成果，以“2-GPa with ”作为题目，在期刊（2023, 379: 168 - 173）上得以成功发表，并且被选入 ESI 高被引论文。
图 1 展示了新型超高强塑性钢的多层次纳米级结构构筑。其中包括传统马氏体的无序排列结构；贝壳材料的棱柱状结构；拓扑学有序的马氏体相变结构；原奥氏体重构；锻造加空冷后的组织；锻造加深冷加回火后的组织。
图 2 展示了新型超高强塑性钢的透射电镜和原子探针的结果。其中有 A - B 水平和倾斜排列的马氏体纳米结构；还有 C - D 马氏体结构中间的亚微米/纳米级多尺度亚稳奥氏体；以及 E - G 纳米析出和碳配分。
D - L 阶段则有马氏体位错滑移和变形行为，其中倾斜增塑结构马氏体在变形过程中会具有较大的应变配分。
图4 新型超高强塑性钢的力学性能
提出“低强度成形”与“超高强度使用”的新策略，以实现具备以上屈服强度且均匀延伸率在 10%以上的零件使用性能。
材料的重要服役性能包括高屈服强度和高塑性，然而这两者难以同时具备。因为具有高屈服强度的材料已经消耗了较多的加工硬化，所以在后续变形过程中很难继续产生加工硬化。这样一来，屈服强度达到 2GPa 的材料，在拉伸初期容易出现塑性失稳的情况，其均匀延伸率通常低于 5%。当材料的屈服强度极高时，成形会变得极为困难。所以，我们期望能得到低强度的板料性能，并且在成形之后，能获得超高屈服强度和高剩余塑性的使用性能，这样就能提高零件的抗侵入能力和能量吸收能力。基于上述拓扑学有序排列组织设计原理，研究团队提出了“低强度成形+超高强度使用”的策略，以解决级超高强钢的成形难题，同时保证超高的服役性能。他们通过 C-Mn 合金设计和-aging 工艺，成功开发出新型低成本中锰钢，这种钢的零件具有 2.0~2.3GPa 的屈服强度和 8%~14%的均匀延伸率。Fe-7.4Mn-0.24C 合金的初始组织包含 35.7%的亚稳奥氏体，这使材料具备低屈强比特性。并且在成形过程中，部分奥氏体会发生 TRIP 效应，从而获得良好的成形性能（图 5）。
图5 Fe-7.4Mn-0.24C合金的组织演变过程
热变形态所对应的初始组织；-aging 过程中组织的演变情况
成形后组织中剩余的纳米级奥氏体稳定性较高，比例在 10%以上，这种剩余的纳米级奥氏体在零件服役过程中能够进一步提升零件的强塑性。热加工态材料的屈服强度低于 ，经过-aging 处理后，材料的屈服强度增加到 1760 以上，提升了 1 倍多，并且在合适的变形范围能保持 10%以上的均匀延伸率（图 6）。
图6 Fe-7.4Mn-0.24C力学性能
高屈服强度的获得是因为成形过程中的加工硬化，同时也因为低温回火处理的烘烤硬化效应。在这个合金体系中，烘烤硬化效应能够达到 465 MPa，这是目前所知道的最高水平。在 2GPa 高屈服的条件下，依然获得了超过 10%的均匀延伸率的剩余塑性。其关键机制在于，吕德斯带的平均加工硬化率较低，并且 TRIP 效应更为缓慢，从而降低了材料加工硬化的消耗速率。将该技术应用于 0.34C/0.39C 等中锰合金时，能够获得极致的零件性能，屈服强度很高，均匀延伸率在 10%以上（图 7），这种性能远远比同强度级别的其他材料要好。并且，不同的合金体系可承受的最佳变形量是有区别的，能够为不同复杂程度的结构材料进行量身定制。2023 年 5 月，相关研究成果在金属领域 TOP 期刊（2023, 233: ）上发表，题目为“yield of 2.2 GPa with high in parts using -aging”。该技术解决了超高强度钢应用的一个技术瓶颈，也就是成形困难的问题。此外，系列设计合金在室温条件下能够获得较高体积分数的奥氏体。这种合金的焊接性能比传统超高强钢要好。目前，针对它的评估研究正在开展。
合金 Fe-7.4Mn-0.24C 的力学性能，以及合金 Fe-7.8Mn-0.39C 的力学性能
四、应用情况与效果
本研究提出的增塑新机制具有较大普适性，开辟了新研究方向。该机制为“马氏体拓扑学结构设计+亚稳相调控”。它有利于挖掘材料潜力，能加快推动超高强钢在关键工业和军工等领域的实践应用，进而提升我国战略国防科技力量。该机制的普适性体现在两个方面：其一，该机制能应用于轧制、锻造等诸多领域，用于生产制备大尺寸轴类、薄板以及厚板等；其二，该机制适用于不同的合金体系，其中的置换型元素 Mn、Ni、Cr 可以进行替换，从而提升材料的韧性、耐磨性和耐腐蚀性等。
如图 8 所展示的那样，借助该机制，合金 Fe - 0.34C - 7.4Mn 在经过热轧和冷轧加工之后，再进行热处理，就能够获得 2200 到 2650 MPa 的抗拉强度，以及 10%以上的均匀延伸率，具备优异的性能。另外，这类材料能够实现从薄规格到厚规格的灵活制备，因为合金的淬透性足够高，所以其板材厚度可以涵盖 1mm 到几百 mm 的范围，从而满足多样化应用场景的需求。图 9 展示了在不同合金体系之下该机制所起到的应用效果，并且都获取到了超高强度以及超高塑性的力学性能。
合金 Fe-7.4Mn-0.34C 在热轧加工状态下的力学性能如图 8 所示；合金 Fe-7.4Mn-0.34C 在冷轧加工状态下的力学性能如图 8 所示。
图 9 当中包含 Ni 合金，其中有(a)Fe - 0.4C - 5Mn 这种情况，还有(b)Fe - 0.34C - 7.4Mn 这种情况。
该组织结构设计思路能够实现级以上超高强钢的强、塑、韧多性能同步提升。目前已针对汽车钢、装甲钢、盾构机刀圈以及飞机起落架等开展了材料设计工作，部分力学性能指标情况如表格 1 和表格 2 所呈现。能够看出，新型材料相较于传统材料在力学性能方面有明显提升，尤其塑/韧性能够实现翻倍的成效。
表1 装甲钢新材料设计
表2 刀圈新材料开发
本项目“级超高强钢增塑新机制问世”被选入“2023 年世界钢铁工业十大技术要闻”。此项目获得了高度评价，其创新提出了超高强钢增塑新机制，还取得了一系列关键技术创新，突破了级超高强钢的性能极限，具有重要的科学价值。研究成果获得了期刊的认可。它实现了工艺的创新，也实现了成分的创新，还实现了性能的创新以及机制的创新。这些创新具有重要的科学价值，能够进行大规模的工业化生产。它大力支持了下一代高性能钢材的长期可持续发展，推动了材料性能的边界，降低了能源消耗，提高了材料的可回收性，促进了循环经济。
本项目提出的相应解决方案，有望在汽车领域进行实际应用，有望在工程机械领域进行实际应用，有望在深海领域进行实际应用，有望在深地领域进行实际应用。目前，正在积极推动该成果的落地转化。
