清华+天大+鞍钢国重：成分异质结构如何实现马氏体强韧化

2026-01-09 16:01:54 作者：本网整理来源：网络分享至：

马氏体钢通常具有高的屈服强度和抗拉强度，但其塑性一般较差，难以满足工业界对高强高韧的要求。目前通常采用热处理等方法提升塑性，如淬火配分（Q&P）工艺可稳定残余奥氏体，奥氏体的相变诱导塑性（TRIP）效应可改善材料的性能。然而，这些方法通常需要复杂的工序和严格的温度控制，使得大规模工业化应用变得复杂。

近日，清华大学陈浩教授、天津大学丁然副教授和清华大学/鞍钢海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室张游游博士（通讯作者），在期刊Scripta Materialia上发表了题为“Ductilizing martensite in lean steel via chemical heterogeneity”的文章。研究人员采用闪速退火策略在低锰钢中构建了具有化学异质结构的马氏体，同时引入组织的异质性，显著提升了材料的强塑性协同。本研究阐明了Mn元素的变化对原奥氏体晶粒内马氏体变体选择的影响，从而在马氏体为主的基体中实现了强度不降而塑性提升的优异性能。和之前的研究不同，本工作在无奥氏体TRIP效应存在的情况下，主要依靠马氏体自身的组织和化学异质结构获得了高强高韧的性能组合。

本研究用低锰钢的化学成分为Fe-0.19C-1.5Si-2.0Mn-0.02Nb wt.%，热轧板经卷取、冷轧后进行3种不同的热处理。Het样品热处理为：300℃/s闪速加热到920℃保温2s，随后以300℃/s冷却至室温，实现完全奥氏体化且保留化学异质结构；Hom-1样品热处理为：920℃保温30s，加热和冷却速度和Het样品相同；Hom-2样品热处理为：920℃保温20min，水淬到室温，然后进行和Het样品相同的闪速退火热处理。所有样品在拉伸前进行170℃/20min的回火处理，模拟汽车行业的喷涂烘烤工艺。初始组织中，珠光体片层和渗碳体颗粒中存在Mn元素富集，铁素体中Mn元素浓度较低（~1.3 wt.%），如图1所示。

图1 原始组织：Region1珠光体区域和Region2弥散分布渗碳体颗粒的铁素体区域

3个样品表现出不同的微观组织，如图2(a-c)。其中，Het-1样品中存在两种不同类型的马氏体，MDM-贫Mn马氏体和MEM-富Mn马氏体。尽管3个样品的显微维氏硬度相当（~500HV），但是Het样品中的MDM和MEM区域存在明显的硬度差别，如图2(e)。硬度的差别主要是由于MEM区域富C富Mn，这对样品的力学性能也产生较大的影响。如图2(f)所示，Het样品展现出更高的强度，同时更高的塑性。

图2 SEM微观组织：(a)Het, (b)Hom-1, (c)Hom-2；(d)EPMA分析Het样品纳米压痕区域Mn浓度；(e)MEM和MDM区域纳米压痕结果；(f)3个样品的工程应力应变曲线

MDM区域表现出多个Bain group，每个group包含多个马氏体变体；而MEM区域只存在一个Bain group和单个马氏体变体，表明Mn元素不均匀性会影响马氏体的相变路径，如图3(a-d)。在快速冷却过程中，贫Mn区域先发生马氏体相变，应变会在周围的富Mn区域累积，导致富Mn区域形成马氏体单变体。相变过程中，MEM和MDM区域不同的马氏体相变行为会在两者界面处形成几何必须位错(GNDs)，以缓解晶格畸变（图3(e)）。

图3 (a)Het样品的SEM图像；(b-d)包含MEM和MDM马氏体的原奥晶界、Bain和变体构型；(e)MEM和MDM区域的HAADF TEM图像

MDM(3.5GPa)和MEM(4.8GPa)区域显著的硬度差别导致在变形过程中存在应变配分以及界面处GNDs的产生，如图4(a, b)。GNDs的累积在MDM和MEM界面处造成了强烈的背应力（如图4(c1, c2))，通过异质变形诱导硬化推迟了颈缩的产生，最终使得Het样品具有更高的强度和更优的延伸率。

图4 (a)DIC表征Het样品拉伸过程中的应变配分；(b) KAM图像表征Het样品拉伸过程中的GNDs演变；Het样品和Hom-1样品的(c1)加载-卸载-再加载曲线和(c2)背应力随应变的演变

综上，本研究通过对初始组织为铁素体+珠光体的冷轧钢进行闪速加热和冷却，获得了不同Mn含量的马氏体。Mn的不均匀性导致马氏体内部存在明显的变体选择和硬度差异，从而增强了GNDs介导的背应力。因此，Het样品在不依赖TRIP效应的情况下，强度和塑性同时得到提升，其综合性能优于均质马氏体样品。本研究表明，马氏体中固有的化学诱导结构异质性可实现卓越的强塑性协同效应，为先进高强度钢提供了一种简单高效的替代方案。

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