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01研究背景
金属材料具有高强度和延展性，但化学成分精简和可持续，需要轻量化和安全的运输，建筑和基础设施。然而，在大多数金属材料中，强度的增加是以牺牲延展性为代价的，表现出强度-延展性的权衡。这限制了高强度合金的加工性和损伤容限，而这是加工和应用所必需的特性。马氏体时效钢是一种典型的超高强度合金，其强度达到2 Gpa，几乎是所有大体积生产的结构金属和合金的最高强度。马氏体时效钢的强度来自马氏体基体和纳米尺寸的细金属间相，这些金属间相与相邻晶格的晶格失配很小，可以在不牺牲延展性的情况下增强合金。亚稳奥氏体可以引入马氏体基体，利用相变诱导塑性(TRIP)效应同步强化和延展性这种高强度钢。这些方法的缺点是使用昂贵的和战略上有限的合金元素，如Co, Ni, Mo, Ti，这损害了这些合金的可持续性，因此延展性的增加仍然有限。
最近，在变形和分块(D&P)钢中，高密度马氏体位错已被证明可以有效地通过位错林硬化提高屈服强度，并通过移动位错的滑动提高延展性。此外，奥氏体内部的化学不连续作为中锰钢的化学边界，可以有效地提高强度和延展性，甚至提高钢的抗氢脆性。化学边界的引入产生了可变奥氏体稳定性的亚微米区域，迫使马氏体转变为极细的马氏体-奥氏体微观结构，并增强了TRIP效应。采用这种位错和基于化学边界的工程策略，可以生产出均匀伸长率高于15%的钢材，抗拉强度水平可达2Gpa ;然而，这些钢显示广泛的Lüders带或Portevin-Le Châtelier带。这些是由不均匀塑性流动机制产生的锯齿形变形模式，导致不希望的变形不均匀性。此外，制造这些钢材所需的加工步骤(包括热轧、热轧、冷轧和快速加热等)相当复杂，导致其生产效率低下且成本高昂。因此，寻求延展性、可持续和具有成本效益的2-GPa钢本身是一个未解决的问题。
02研究成果
从交通运输到轻量化设计再到安全的基础设施，所有部门都需要机械强度和延展性的承重材料。然而，一个巨大的挑战是在一种材料中统一这两种功能。东北大学袁国教授、李琳琳教授课题组和德国马普所Dierk Raabe教授课题组合作研究表明，在均匀伸长率>20%的情况下，普通中锰钢可以加工成抗拉强度>2.2吉帕斯卡。这需要多个横向锻造、深冷处理和回火步骤的组合。由层状和双重拓扑排列的马氏体与精细分散的保留奥氏体组成的分层微结构同时激活多种微观机制来增强和延展性材料。组织良好的马氏体中的位错滑移和渐进变形刺激相变协同作用产生了较高的延性。这种纳米结构设计策略可以生产出强度为2吉帕斯卡且具有延展性的钢，这些钢具有吸引人的成分，并具有大规模工业生产的潜力。相关研究工作以“Ductile 2-GPa steels with hierarchical substructure”为题发表在国际顶级期刊《Science》上。据统计，这是东北大学作为第一单位发表的首篇《Science》论文，祝贺！
03图文速递
图1. Fe-7.4Mn-0.34C-1Si-0.2V钢的组织演变
图2. Fe-7.4Mn-0.34C-1Si-0.2V钢的显微组织
马氏体是所有这些超高强度钢的主要微观组织成分，通常以无序的方式拓扑排列，即不遵循任何拓扑设计或形状标准(图1a)。其分层组织和由过饱和间质碳引起的四方变形有助于其高强度，但也会使其脆性。然而，马氏体的拓扑有序排列有助于将脆性转化为延性。例如，在具有层状马氏体或棱柱状马氏体的钢中，强度、延展性和韧性可以通过沿晶界或相界的特定位置分层而显著提高 (图1B)。特别是，界面对齐可以在这些类型的微观组织的延展性中发挥关键作用。此外，具有良好取向和拓扑排列的马氏体可获得高界面和体塑性。考虑到所有这些结构优势，作者开发了一种简单高效的锻造路线，随后进行深度深冷处理和回火，以实现成分平淡的中锰钢的这些拓扑特征。该材料的层次结构由组织良好的马氏体结构和在细化的棱镜形母奥氏体中形成的亚稳奥氏体组成(图1C)。术语“组织良好”指的是双重拓扑排列的马氏体(0°和40-50°)，如下所解释。这些分层纳米结构钢的抗拉强度值为2.0至2.4 GPa，均匀伸长率为18至25%，总伸长率为24至30%。
作者设计了一种成分为Fe-7.4Mn-0.34C-1Si0.2V wt %的微合金化中锰钢，称为合金A。铸态立方试样(截面60mm × 60mm)在650°~800°C沿两个垂直方向进行多次横向锻造，总截面减小91%，形成柱状母奥氏体组织(图1D)。奥氏体沿纵向(LD)呈棒状，横向尺寸为3.8±1.4 μm，纵横比约11.6±4.5。
风冷后，大部分奥氏体转变为马氏体，保留了38.2%体积分数的短带状奥氏体，形成分层结构(图1E和F)。保留的奥氏体条带主要来源于锻造过程，而不是Mn偏析。然后进行液氮的低温治疗15分钟变换一些(~ 19.5%体积)的残留奥氏体进一步转化为马氏体,随后回火处理在300°C 20分钟提高奥氏体的稳定性。值得注意的是，由于回火过程中碳的分配，残余奥氏体内部的碳含量增加了0.11 wt %。这提高了残余奥氏体的稳定性，马氏体起始温度(Ms)从77 K降低到37 K。约0.62±0.49 um的块体尺寸在每个拉长区域形成了分层子结构，继承了原始棒状母奥氏体的方向性特征(图1h)。
图3. 所研制的钢与其他超高强度钢的力学性能比较
图4. 研究了Fe-7.4Mn-0.34C1Si-0.2V钢的变形组织
锻钢的力学性能，特别是优良的延性，来自于协同作用的变形机制。高分辨率数字图像相关(DIC)和电子背散射衍射(EBSD)结果表明，作者的锻造钢变形比热轧参考材料更均匀(图2)。大块状奥氏体在变形早期就会发生变形和转变，从而使材料具备恒应变硬化能力。从相图(图4A、B)和x射线衍射(XRD)分析(图4C)可以看出，残余奥氏体在应变后逐渐转变为马氏体，在应变时转变体积分数达到91%拉伸应变(ε) 18.3%。在早期到中期的变形过程中，块状残余奥氏体控制了TRIP效应，在ε≈8%时几乎完全转变(图4 A和B)。随着持续的拉伸，薄膜状的薄残余奥氏体层也开始转变，甚至进一步降低了剩余亚稳体的体积分数。逐渐而充分的TRIP效应产生了较高的应变硬化率，提高了锻钢的强度和延展性。相比之下，在传统热轧的参考样品中，只有35%的奥氏体在断裂点发生了转变，因此对应变硬化和由此产生的均匀伸长的贡献较小。除了TRIP效应外，组织良好的分层结构马氏体也为锻造样品提供了相当大的延展性。I型马氏体和II型马氏体的力学响应不同，强烈依赖于板条几何和晶体取向。
图4D和E分别显示了II型马氏体和I型马氏体的最大施密德因子和主要滑移体系。对于II型马氏体，大多数主滑移方向和滑移面平行于板条或块状边界，而对于I型马氏体，它们通常与这些子结构边界相交。由于II型马氏体的施密德因子略高，且优先激活板条面滑移，该材料部分比I型马氏体变形稍早。大量位错以较长的平均自由路径平行滑动到板条界面，从而增加了II型马氏体的延展性。此外，位于相邻II型马氏体板条之间的保留奥氏体薄膜辅助的界面塑性也促进了化合物的塑性顺应性。由于晶体滑移和界面滑移，II型马氏体因此充当了延性元素，使得这种类型的微观结构比I型马氏体具有更高的应变分配(图4H)。
04结论与展望
在这项研究中，作者提供了一种拓扑结构设计方法，通过将中等亚稳奥氏体的马氏体结构调整为双取向形态，在中锰钢中实现有吸引力的延展性和超高强度。除了逐渐的TRIP效应，锻件的显微组织通过构建大体积分数的韧性马氏体，钢还利用了体塑性和界面塑性，这大大提高了材料的整体延展性。这种优异的拉伸性能是通过简单、低成本、低排放的热处理获得的，与现有的工业工艺兼容。作者相信，通过适当调整加工方法和化学成分，可以进一步优化机械性能。这种微观结构设计概念可以扩展和定制，以适应许多其他马氏体合金类别，它可以用于大规模加工，在汽车、航空航天和机械部门使用标准锻造设备进行广泛应用。
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