奥氏体Fe-Mn-Al-C轻质钢因兼具优异的强塑性匹配性与轻量化特性，近年来备受关注。然而，铝元素的添加往往会促进有序结构的形成，例如在退火态轻质钢的奥氏体基体中，会生成高密度、与基体共格的L1₂型κ-碳化物。这类共格κ-碳化物在高应力条件下易发生剪切变形，进而引发局部应变软化，导致合金强度难以满足工程应用需求。因此，在保持塑性的同时提升强度，是该类材料研发中亟待解决的科学与工业关键问题。近期研究表明，在κ-碳化物强化型Fe-Mn-Al-C钢中添加镍元素，可引入细小的非共格B2相颗粒，这是一种颇具潜力的强化手段。但此类非共格颗粒不可避免地会成为裂纹萌生源，导致合金拉伸塑性显著下降。

鉴于析出强化型合金设计存在上述局限性，引入变形孪晶这一高效的应变硬化与增韧机制，成为实现材料优异力学性能的有效途径。通常而言，硅元素的添加可有效降低奥氏体钢的层错能，例如在Fe-18Mn-0.6C钢中，每添加1 wt.%的硅，层错能约降低4 mJ/m²，从而促进孪晶形成。类似地，针对固溶处理态、铝含量为4-7 wt.%、层错能为40-60 mJ/m²的中铝Fe-Mn-Al-C轻质钢的研究表明，硅的添加可使合金在拉伸变形过程中发生孪生变形，进而提升应变硬化能力。相比之下，铝含量为8-12wt.%的高铝Fe-Mn-Al-C轻质钢，由于铝含量过高，其层错能通常超过80 mJ/m²（而孪晶形成的层错能上限为50 mJ/m²），因此仅通过添加硅难以诱导纳米孪晶的生成，固溶处理态的硅合金化Fe-30Mn-9Al-1.2C轻质钢便是典型例证。据我们所知，目前关于硅合金化高铝Fe-Mn-Al-C轻质钢的研究多聚焦于位错变形机制，而针对其变形孪生行为的报道几乎处于空白状态。鉴于基于变形孪生的强化效应具有重要价值，亟需探索一种能够在高硅合金化高铝Fe-Mn-Al-C钢中激活孪生变形的方法。团队近期研究发现，金属间化合物相（如B2相和κ相）产生的强化作用，可使Fe-Mn-Al-C钢与CoNiV中熵合金的流变应力达到孪生临界应力，进而促进变形孪晶的形成，提升合金塑性。值得注意的是，降低退火温度（如500℃长时间时效）通常会促使层片状κ-碳化物与D0₃ （Fe₃（Al,Si））脆性金属间相析出，这一现象虽能提升硅合金化Fe-Mn-Al-C基钢的强度，但同时也会诱发界面裂纹。因此，通过调控并利用这类金属间化合物相，使其成为孪晶形核质点，有望在增强合金应变硬化能力的同时，最大限度地减轻金属间化合物相脆化带来的不利影响。

本研究提出一种析出相调控策略，旨在使高铝硅合金化Fe-Mn-Al-C轻质钢实现强度—延展性的协同提升。硅的添加与退火工艺可有效调控κ-碳化物与D0₃相的析出行为，并抑制界面脆化效应。此外，金属间化合物相诱发的强化作用，促进了高SFE钢中纳米孪晶的形成，进一步提升了材料的力学性能。

该项研究成果以“Enhancing strength and counteracting embrittlement in a Si-alloyed Fe-Mn-Al-C lightweight steel by precipitation-tailoring strategy”为题，在线发表于国际材料刊物《Journal of Materials Science & Technology》。燕山大学张新宇教授和安丰超副教授为该论文通讯作者。本研究工作得到国家自然科学基金（52125405、U22A20108、52401172）、河北省自然科学基金（E2024203079）、河北省科技计划项目（25361501D）及燕山大学基础创新研究培育项目的支持。

文章链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030226000253?via%3Dihub

图1 在800-900 °C下退火的轻质钢的机械性能

（a）工程拉伸应力-应变曲线；

（a1和a2）A900样品的真应力-应变曲线和相应的应变硬化率。

图2 拉伸变形前A900样品的EBSD和XRD分析

EBSD数据，包括（a）IPF、（a1）相和（a2）KAM图；（b）GND密度分布；（c）FCC和BCC相的平均晶粒尺寸；（d）A900样品的XRD图谱。

图3 变形前A900试样的TEM分析

（a）沿着晶界分布的析出物的TEM图像；（a1）相应的EDS图；（a2和a3）分别为D0₃和κ-碳化物的SAED图案和HRTEM图像；（b）嵌入FCC晶粒中的D0₃和κ-碳化物的TEM图像；（b1）相应的10个EDS映射。

图4 A900样品的变形行为

（a和a1）TEM图像和SAED图案显示FCC晶粒内的滑移带；（b和b1）HRTEM图像和快速傅立叶变换（FFT）图案显示SF的存在。

图5 A900样品断裂面附近的显微组织特征

（a）12A背散射电子（BSE）图像显示了一个大裂纹，包括TG和IG裂纹；（b-b2）EBSD数据，包括IPF、KAM和相图，显示了IG和TG裂纹；（c-e）BSE图像显示了分布在FCC晶粒内的板条状微裂纹。

图6 在650-750 °C下退火的轻质钢的机械性能

（a）工程拉伸应力-应变曲线；（a1和a2）A650样品的真实应力应变曲线和相应的应变硬化率。

图7 拉伸变形前A650样品的EBSD和XRD分析

EBSD数据，包括（a）IPF、（a1）相和（a2）KAM图；（B）GND密度分布；（c）FCC相的平均晶粒尺寸；（d）A650样品的XRD图谱。

图8 变形前A650样品的TEM分析

（a）沉淀物沿沿着分布的TEM图像；（a1）相应的EDS图；（a2）D0₃颗粒的HRTEM图像和FFT图案；（a3）FCC晶粒内部纳米级κ-碳化物的DF-TEM图像；（a4）纳米级κ-碳化物的平均尺寸。

图9 拉伸变形过程中A650样品的变形显微组织

（a）TEM图像显示变形FCC晶粒中的滑移带；（B）DF-TEM图像显示纳米级κ-碳化物的剪切；（c）HRTEM图像显示SF和纳米级κ-碳化物之间的相互作用；（d）TEM图像显示在12%全局应变下FCC晶粒中的高SF密度；（d1）从（d）中的蓝色正方形拍摄的SAED图案和DF-TEM图像揭示SF和纳米孪晶的存在。条纹由蓝色虚线正方形标记；（e和e1）显示SF/纳米孪晶的过渡状态的HRTEM图像和FFT图案。插图是SF/纳米孪晶区域的相应FFT图案；（f和f1）确认具有高密度位错的纳米孪晶区域的TEM图像和相应的SAED；（g）显示变形的D0₃相的TEM图像和相应的EDS映射；（h-h2）断裂表面中微裂纹分布的BSE图像。

图10 A900和A650样品中的变形机制和微裂纹扩展机制的总结

（a）A900样品中的变形行为和微裂纹扩展的示意图，强调应变局部化和裂纹形成；（B）A650样品中的变形过程和裂纹抑制的示意图，显示了多种着色硬化机制和止裂能力的活化。

结论

本研究提出一种析出相调控策略，实现了对含脆性金属间化合物相的硅合金化Fe-Mn-Al-C轻质钢力学性能的精准调控。与传统金属间相特征（包括沿面心立方（FCC）晶界及晶内的粗κ-碳化物和D0₃相）相比，降低退火温度（从900 °C降至650 °C）可促进这些金属间相的细化：即沿晶界形成细小κ-碳化物和D0₃相，且在FCC晶内析出纳米级κ-碳化物。这种金属间相的细化带来了更优的抗拉应力，从而使材料达到临界孪晶应力。进一步地，位错与这些细小金属间相之间的相互作用表现为：纳米κ-碳化物发生剪切变形，且基体与D0₃相实现协同变形。结果表明，高位错应力下的变形孪晶以及“脆性但可变形”的金属间相共同赋予了材料显著的应变硬化能力，这种能力抑制了金属间相的脆化，进而获得了优异的延展性。