低溫工程概念廣泛應(yīng)用于先進(jìn)能源、國防軍工及大科學(xué)裝置建設(shè)等國家戰(zhàn)略工程領(lǐng)域。具有米級(jí)直徑的大型低溫工程鍛件是現(xiàn)代航空航天及石化工業(yè)領(lǐng)域裝備的核心部件。在低溫及復(fù)雜交變載荷工況下，該大型鍛件需兼?zhèn)涓邚?qiáng)度及良好低溫韌性。雖然當(dāng)前常用低溫馬氏體時(shí)效鋼具備高強(qiáng)度，但受到材料“尺寸效應(yīng)”制約，該類型鋼厚大斷面鍛件仍存在低溫韌性不足、內(nèi)外組織性能不均勻等突出問題，使得重大低溫工程項(xiàng)目建設(shè)受到掣肘。

為解決該實(shí)際工程問題，中科院金屬所先進(jìn)鋼鐵材料研究部孫明月、李殿中團(tuán)隊(duì)突破了傳統(tǒng)馬氏體時(shí)效鋼“高溫固溶+峰時(shí)效”常規(guī)熱處理工藝局限，提出了一種“兩次低溫固溶+中溫過時(shí)效”新型熱處理工藝（圖1），制備出了具有超細(xì)晶雙相組織的馬氏體時(shí)效鋼。相比于常規(guī)工藝，新型實(shí)驗(yàn)鋼的-196℃超低溫沖擊功提升10倍以上（AKV：~140 J），同時(shí)屈服強(qiáng)度無顯著衰減（圖2）。

該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步與香港大學(xué)機(jī)械工程系黃明欣團(tuán)隊(duì)合作，發(fā)現(xiàn)盡管過時(shí)效后鋼中形成50%體積分?jǐn)?shù)的奧氏體（圖3），但高密度Ni3（Ti,Al） 納米增強(qiáng)顆粒在“馬氏體+奧氏體”雙相結(jié)構(gòu)中共析出特征保證了高強(qiáng)度（圖4~圖6）；優(yōu)異的低溫韌性來源于：超細(xì)晶特征結(jié)構(gòu)，高含量無韌脆轉(zhuǎn)變特性FCC奧氏體相及其在沖擊過程中發(fā)生的相變誘導(dǎo)塑性（TRIP）韌化效應(yīng)，如圖7所示。

相關(guān)論文以題為“Ultrafine-graineddual-phase maraging steel with high strength and excellent cryogenic toughness”發(fā)表在Acta Materialia。本文第一作者為中科院金屬所博士生張洪林，通訊作者為中科院金屬所孫明月研究員和香港大學(xué)黃明欣教授，合作者還包括中科院金屬所徐斌項(xiàng)目研究員、李殿中研究員和李依依院士，中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心馬東平高級(jí)工程師，香港大學(xué)博士生劉宇軒。本工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，國家自然科學(xué)基金，中科院重點(diǎn)部署項(xiàng)目和創(chuàng)新交叉團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116878

圖1 （a）新型熱處理工藝路線，包括預(yù)固溶（P-ST）、常規(guī)固溶（N-ST）處理及500℃過時(shí)效處理；（b）常規(guī)熱處理工藝路線，包括高溫固溶及500℃峰時(shí)效。

圖2 （a）新型實(shí)驗(yàn)鋼室溫強(qiáng)度，-196℃低溫沖擊吸收功隨時(shí)效時(shí)間的變化，方形符號(hào)代表常規(guī)熱處理實(shí)驗(yàn)鋼力學(xué)性能；（b）不同溫度下新型實(shí)驗(yàn)鋼沖擊吸收功及其與其他結(jié)構(gòu)材料的（c）室溫屈服強(qiáng)度，-196℃低溫沖擊吸收功的比較。

圖3 EBSD表征馬氏體（綠色）及奧氏體（黃色）雙相分布：（a, b）新型實(shí)驗(yàn)鋼及（c）常規(guī)熱處理實(shí)驗(yàn)鋼；不同時(shí)間時(shí)效后（d）馬氏體板條束及奧氏體晶粒尺寸變化，（e）奧氏體含量變化。

圖4 APT表征新型實(shí)驗(yàn)鋼“馬氏體+奧氏體”雙相中Ni3（Ti,Al）析出相：（a）基于Ni、Ti等濃度面的三維組織重構(gòu)；（b）Ni、Ti及Al元素二維濃度分布；（c）多相組織的一維濃度分布；（d）奧氏體中析出相等濃度分布。

圖5 高分辨TEM表征新型實(shí)驗(yàn)鋼中納米增強(qiáng)相的析出：（a）h-Ni3（Ti,Al）析出相位于馬氏體/奧氏體相界面；快速傅里葉變換圖像：（b）馬氏體/奧氏體相界面，（c）h析出相/奧氏體相界面，（d）h析出相/馬氏體相界面；（e）環(huán)形明場掃描TEM圖像，（f）析出相能譜及（g）放大后高分辨TEM圖像顯示奧氏體內(nèi)部的h析出相。

圖6 （a）基于高斯擬合得到不同時(shí)間時(shí)效后馬氏體中h析出相的長度、半徑及間距的統(tǒng)計(jì)值；（b）不同時(shí)間時(shí)效后奧氏體及馬氏體平均納米硬度值，表明新型實(shí)驗(yàn)鋼中奧氏體具有與馬氏體相當(dāng)?shù)母哂捕取?/span>

圖7 低溫?cái)嗔烟卣骷绊g化機(jī)制：（a, b）新型實(shí)驗(yàn)鋼韌性沖擊斷口形貌，（c）常規(guī)熱處理實(shí)驗(yàn)鋼脆性沖擊斷口形貌；（d,e, h, i）新型實(shí)驗(yàn)鋼的TRIP效應(yīng)增韌；（f, g）常規(guī)熱處理實(shí)驗(yàn)鋼穿晶脆性斷裂特征。

本研究提出的新型熱處理工藝路線，具有較寬的工業(yè)生產(chǎn)窗口，有利于提升厚大截面馬氏體時(shí)效鋼力學(xué)性能均勻性，可作為高性能大型低溫工程鍛件的潛在研制方案。