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馬氏體鋼韌性再突破！清華大學與天津大學聯合在《Scripta Materialia》發表最新研究成果

2025-10-27 17:36:36 作者：本網發布來源：材料強化與保護分享至：

鋼在工業體系中無論是涉及領域的寬度還是使用量的多少都有著毋庸置疑的地位，作為最重要也是最成熟的金屬材料體系之一，幾乎在任何一個工業領域中都能夠看到鋼材的身影。其中，馬氏體鋼便是一種應用廣泛的高強度鋼，但在有些服役場景中，其會受到塑性不足的制約。傳統的解決方案是通過一系列熱處理工藝以改善塑性，例如Q&P鋼就是通過淬火配分熱處理方案制備，通過熱處理以調控鋼中的殘余奧氏體，通過相變誘發塑性效應（TRIP）提升塑性。然而，這些方法不僅工藝復雜，還由于需要長時間熱處理的限制，在工業化大規模生產上優勢并不大。

研究人員們不斷試圖開發更便捷的方法，近年來化學異質性在鋼中引入強-韌協同的潛力開始被人們發現，特別是錳元素的分布調控。但該方法究竟能否在不依賴殘余奧氏體的情況下，僅憑馬氏體內部的化學異質性就能夠實現強塑性的協同，這一點在之前的研究中還未明確闡明。清華大學與天津大學的聯合團隊于2025年9月15日在國際材料領域期刊《Scripta Materialia》在線發表的題為“Ductilizing martensite in lean steel via chemical heterogeneity”的研究論文給出了答案，該論文的通訊作者為天津大學丁然副教授和清華大學的張游游博士以及陳浩教授。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2025.116986

【核心內容】

在該論文的研究中，團隊證明了在低合金鋼中，通過快速退火而引起的馬氏體內的化學異質，可以使得鋼材在不依賴殘余奧氏體體的情況下，協同提高強度和塑性。團隊研究發現，鋼中了形成Mn貧化馬氏體（MDM）與Mn富集馬氏體（MEM）的共存結構，二者的取向差異在界面處產生大量幾何必要位錯（GNDs），并在拉伸過程中誘發持續的背應力硬化。因此，盡管殘余奧氏體量很少(~2%)，異質樣品的力學性能仍超過其同質樣品。這項工作證明，馬氏體中內在的化學異質性可以實現出色的強塑性協同作用，為先進的高強度鋼提供了一種無需依賴TRIP效應的簡化替代方案。

圖形摘要

【研究方法】

團隊所使用的鋼成分為Fe-0.19C-1.5Si-2.0Mn-0.02Nb（wt.%），在經過熱軋冷卻之后，獲得含有富錳滲碳體的鐵素體+珠光體組織，再經過冷軋減薄厚度。隨后團隊設計了一套核心為快速退火（flash annealing）的熱處理工藝方案：

通過快速加熱（300℃/s）至920℃保溫2s，再以相同的速度快速冷卻至室溫，快速的加熱冷卻以及短時間的保溫使得Mn根本沒有充足的時間完全擴散，因此能夠得到具有化學異質性的樣品，命名為“Het樣品”。
對照組“Hom-1”和“Hom-2”則通過延長保溫時間或完全均質化處理，其中Hom-1樣品的加熱和冷卻速率與Het樣品相同，不同的是其在920℃下保溫了30s；而Hom-2樣品在保溫了20min后進行水淬。

隨后，研究團隊結合SEM、EBSD、STEM-EDS、納米壓痕、原位拉伸-DIC等多種手段，對不同樣品的微觀結構和力學性能進行了系統對比。

【研究成果】

① 快速退火前組織中的錳富集行為

冷軋組織由變形的鐵素體和珠光體區組成。STEM-EDS分析顯示，滲碳體顆粒中的錳含量與尺寸有明顯的相關性，大尺寸顆粒約含Mn約24wt.%，中尺寸顆粒約16wt.%，小尺寸顆粒小顆?；蛑楣怏w片層約10wt.%，鐵素體基質中的平均錳含量約為1.3wt.%，這種Mn的不均勻分布為后續快速退火后形成化學異質馬氏體奠定了基礎。

初始冷軋組織及滲碳體中的錳分布特征

② 馬氏體中的異質結構：Mn貧化與Mn富集區域

在Het樣品中觀察到兩種類型的馬氏體相：Mn貧化馬氏體（MDM）與Mn富集馬氏體（MEM），MDM具有多取向變體，而MEM則受限于單一取向變體，這種顯著的晶體學差異導致MDM/MEM界面處產生GNDs，相比之下，對照組顯示出均勻的馬氏體組織，沒有明顯的結構區別。

三種樣品的SEM顯微組織及力學性能對比曲線

MDM與MEM的取向變體差異及Mn元素分布

③ 強韌協同的來源：界面位錯與反向應力

與雙相鋼不同的是，在雙相鋼中，鐵素體晶粒中的GND可以通過滑動而降低材料的屈服強度，而在該研究中的MDM區域，其固有的高位錯密度限制了GND的遷移，從而保持了Het樣品的高屈服強度。此外，MDM與MEM之間的硬度差異引發變形過程中的應變分配，界面處累積的GNDs產生反向應力，有效延緩了頸縮的發生，因此，Het樣品不僅屈服強度更高，還展現出優于均質對照組的延展性。