近日，鋼鐵研究總院特殊鋼研究院劉振寶教授團(tuán)隊(duì)及南京理工大學(xué)沙剛教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)合金設(shè)計(jì)及熱處理工藝調(diào)控研發(fā)了一種新型2.2 GPa級(jí)超高強(qiáng)度不銹鋼，其室溫力學(xué)性能指標(biāo)為：屈服強(qiáng)度1876 MPa、抗拉強(qiáng)度2259 MPa、斷后伸長(zhǎng)率11.5 %、斷面收縮率52 %以及平面斷裂韌性43 MPa·m0.5。并基于多尺度、多層級(jí)表征結(jié)果，針對(duì)該合金體系鋼種，提出了一種簡(jiǎn)單有效的優(yōu)化其強(qiáng)-塑性匹配的熱處理工藝，即雙重時(shí)效處理工藝。相關(guān)成果以“Enhanced strength-ductility synergy in a new 2.2 GPa grade ultra-high strength stainless steel with balanced fracture toughness: elucidating the role of duplex aging treatment”為題發(fā)表于Journal of Alloys and Compounds。劉振寶教授為第一作者及通訊作者，楊哲博士為共同通訊作者。

論文連接：https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.167135

馬氏體超高強(qiáng)度不銹鋼因其優(yōu)異的強(qiáng)度-塑性-斷裂韌性匹配、良好的耐蝕性及應(yīng)力腐蝕抗力，作為高性能結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工及海洋工程等高端制造業(yè)領(lǐng)域。為了實(shí)現(xiàn)各型裝備提升燃油效率、結(jié)構(gòu)安全性的設(shè)計(jì)要求，須在研發(fā)更高強(qiáng)度級(jí)別超高強(qiáng)度不銹鋼的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化其強(qiáng)-塑性匹配。在不改變鋼的合金配比的前提下，僅通過(guò)時(shí)效處理工藝調(diào)控，向鋼中引入多種類(lèi)納米級(jí)析出相及韌性?shī)W氏體組織即可實(shí)現(xiàn)其綜合力學(xué)性能的提升。

熱處理工藝調(diào)控是有效提高鋼鐵材料綜合服役性能的工藝方法。時(shí)效處理過(guò)程中，從過(guò)飽和馬氏體基體中析出的高密度第二相強(qiáng)化顆粒可作為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的有效“障礙”，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的時(shí)效硬化效應(yīng)、提升材料強(qiáng)度，但其不利于塑、韌性增強(qiáng)。不同種類(lèi)析出相復(fù)合析出及于馬氏體板條處部分逆轉(zhuǎn)變形成的薄膜狀?yuàn)W氏體組織可顯著優(yōu)化馬氏體高強(qiáng)鋼的強(qiáng)-塑性匹配。

本文首次采用獨(dú)特的雙重時(shí)效處理工藝，通過(guò)引入三種不同種類(lèi)高密度納米級(jí)析出相（M2C、Laves相、α’Cr）及韌性逆轉(zhuǎn)變奧氏體，獲得了具有良好塑、韌性的2.2 GPa級(jí)超高強(qiáng)度不銹鋼。且相較于單次時(shí)效處理工藝，第二次時(shí)效處理過(guò)程中，Laves相體積分?jǐn)?shù)增加、富Cr基體調(diào)幅分解加劇（α’Cr進(jìn)一步析出）及逆轉(zhuǎn)變奧氏體含量增加同時(shí)提升了試驗(yàn)鋼的強(qiáng)-塑性。上述研究結(jié)果表明采用雙重時(shí)效處理工藝可調(diào)控析出相及奧氏體體積分?jǐn)?shù)、基體調(diào)幅分解程度，有效優(yōu)化了該合金體系超高強(qiáng)度不銹鋼強(qiáng)-塑性匹配。

經(jīng)雙重時(shí)效處理后，試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度（屈服、抗拉強(qiáng)度）和塑性（斷后伸長(zhǎng)率及面縮）同時(shí)提升，且雙重時(shí)效態(tài)試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度-平面斷裂韌度匹配在現(xiàn)有報(bào)道的超高強(qiáng)度不銹鋼中最優(yōu)。經(jīng)多層級(jí)、多尺度表征結(jié)果統(tǒng)計(jì)表明，單、雙時(shí)效態(tài)試驗(yàn)鋼板條馬氏體層級(jí)亞結(jié)構(gòu)（原奧氏體晶粒、板條束、板條塊及板條）的平均尺寸不存在顯著差異。因此，單、雙時(shí)效態(tài)試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能差異應(yīng)主要取決于雙重時(shí)效處理過(guò)程中納米析出相及逆轉(zhuǎn)變奧氏體的析出行為。

結(jié)合透射電鏡、三維原子探針(3D-APT)表征及Thermo-calc熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)經(jīng)時(shí)效處理后鋼中析出針狀高密度碳化物(M2C)、富Mo金屬間化合物相(Laves相)以及由調(diào)幅分解產(chǎn)生的、與α-Fe基體完全共格的α’Cr。經(jīng)雙重時(shí)效處理后，三類(lèi)析出相的體積分?jǐn)?shù)均呈上升趨勢(shì)。其中，M2C體積分?jǐn)?shù)變化較小，Laves相及α’Cr體積分?jǐn)?shù)則大幅提高。由XRD及EBSD表征結(jié)果可知，雖時(shí)效態(tài)試驗(yàn)鋼中奧氏體積分分?jǐn)?shù)處于較低水平，但經(jīng)雙重時(shí)效處理后鋼中奧氏體體積分?jǐn)?shù)顯著增加。

分別使用Orowan繞過(guò)、切過(guò)機(jī)制及Ardell模型（該模型充分考慮了調(diào)幅分解的擴(kuò)散特性及非典型正弦濃度波特征，且采用調(diào)幅分解波長(zhǎng)及振幅參數(shù)進(jìn)行計(jì)算）分別計(jì)算M2C、Laves相、α’Cr析出強(qiáng)化機(jī)制對(duì)于試驗(yàn)鋼室溫屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)量。結(jié)果表明：雙重時(shí)效處理后，Laves相的進(jìn)一步析出及基體調(diào)幅分解的加劇是試驗(yàn)鋼進(jìn)一步強(qiáng)化的原因。其中，Laves相引發(fā)屈服強(qiáng)度增量最大，而α’Cr相貢獻(xiàn)強(qiáng)度增量增速最高。其塑性同步提升機(jī)制在于納米級(jí)析出相不僅可有效阻礙位錯(cuò)，亦可延緩形變局部化及頸縮失穩(wěn)進(jìn)程，并通過(guò)促進(jìn)位錯(cuò)在激活滑移面的均勻滑移從而均勻化形變。此外，逆轉(zhuǎn)變奧氏體含量的提升可有效促進(jìn)協(xié)同形變及應(yīng)力-應(yīng)變配分。

通過(guò)雙重時(shí)效處理工藝向板條馬氏體基體中引入高密度不同種類(lèi)納米級(jí)析出相及逆轉(zhuǎn)變奧氏體，進(jìn)一步優(yōu)化了新型試驗(yàn)鋼的強(qiáng)-塑性匹配，獲得了具有良好塑性、斷裂韌性的2.2 GPa級(jí)超高強(qiáng)度不銹鋼。為該鋼種強(qiáng)-塑性匹配優(yōu)化提供了全新的簡(jiǎn)單、可靠的熱處理工藝方案。

圖1. (a) 單次時(shí)效熱處理工藝圖; (b) 雙重時(shí)效熱處理工藝圖

圖2. (a) 不同熱處理態(tài)試驗(yàn)鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線 (ST-固溶態(tài), FAT-單次時(shí)效態(tài), SAT-雙重時(shí)效態(tài)); (b) 抗拉強(qiáng)度vs.平面斷裂韌度Ashby圖

圖3. 雙重時(shí)效態(tài)試樣鋼TEM表征結(jié)果(a) 低倍率暗場(chǎng)像; (b) 圖(a)中綠色框選區(qū)域的高倍率高角環(huán)形暗場(chǎng)(HADDF)相; (c-e) EDS面掃能譜(Fe/Cr, Fe/Mo, C) ; (f) [001]α軸入射電子束得高分辨原子相; (g) 圖(f)中紅色框選區(qū)域快速傅里葉變換所得衍射斑點(diǎn)及其標(biāo)定結(jié)果

圖4. 雙重時(shí)效態(tài)試樣APT表征結(jié)果：(a) 富Mo相(Laves相)及碳化物(M2C相)析出(選取等濃度面為10 at.% C, 10 at.% Mo以及10 at.% C); 反映選定區(qū)域(Region of Interest, ROI)(b) ROI-7及(c) ROI-9沿黃色箭頭方向元素分布的鄰近直方圖(Proximity histogram)

圖5. 單、雙時(shí)效態(tài)試樣鋼Cr原子最臨界原子分布分析結(jié)果(a) 單時(shí)效態(tài); (b) 雙時(shí)效態(tài); (c) 時(shí)效態(tài)試驗(yàn)鋼Cr-Cr原子對(duì)徑向分布函數(shù)分析結(jié)果

圖6. 時(shí)效處理過(guò)程鋼中微觀組織演變示意圖