【東大Science發(fā)文】

Ductile 2-GPa steels 

with hierarchical substructure

　　2023年1月13日，東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王國(guó)棟院士/袁國(guó)教授研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂級(jí)期刊Science上以“Ductile 2-GPa steels with hierarchical substructure”為題，發(fā)表了在超高強(qiáng)鋼鐵材料增塑機(jī)制及組織創(chuàng)新設(shè)計(jì)方面的最新研究成果。

　　同時(shí)提升強(qiáng)度和塑性，是鋼鐵材料領(lǐng)域長(zhǎng)期以來(lái)存在的重大理論難題，也是從基礎(chǔ)研究到技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用實(shí)踐的瓶頸。尤其當(dāng)強(qiáng)度達(dá)到2000 MPa級(jí)別時(shí)，塑性出現(xiàn)斷崖式下降，均勻延伸率普遍低于10%，其根本原因在于傳統(tǒng)馬氏體的初始高密度位錯(cuò)難以繼續(xù)增殖，且無(wú)序排列的幾何取向結(jié)構(gòu)微觀塑性變形極不均勻，容易產(chǎn)生局部應(yīng)力/應(yīng)變集中。因此，探索新的增塑機(jī)制，以節(jié)約型合金設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)單高效的制備工藝，獲得低成本高塑性的2000 MPa超高強(qiáng)鋼仍然是巨大挑戰(zhàn)。

　　面對(duì)上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出“馬氏體拓?fù)鋵W(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)+亞穩(wěn)相調(diào)控”協(xié)同增塑新機(jī)制，成功制備出系列低成本C-Mn系新型超高強(qiáng)鋼，打破了超高強(qiáng)鋼對(duì)復(fù)雜制備工藝和昂貴合金成分的依賴，也突破了現(xiàn)有2000 MPa級(jí)馬氏體高強(qiáng)鋼抗拉強(qiáng)度—均勻延伸率的性能邊界。同時(shí)，提出簡(jiǎn)單高效的制備工藝路線，構(gòu)筑出一種全新的拓?fù)鋵W(xué)雙重有序排列的馬氏體和多尺度亞穩(wěn)奧氏體的納米級(jí)多層次組織結(jié)構(gòu)。該組織結(jié)構(gòu)通過在變形過程中誘發(fā)板條界面（in-lath-plane slip）位錯(cuò)滑移、界面塑性和相變誘發(fā)塑性（TRIP）等多種增強(qiáng)增塑機(jī)制，促使材料具有持續(xù)較高的加工硬化能力，大幅度提升其強(qiáng)度和塑性，實(shí)現(xiàn)了1600~1900 MPa屈服強(qiáng)度，2000~2400 MPa抗拉強(qiáng)度和18%~25%均勻延伸率的極致性能。

 

圖1 新型超高強(qiáng)鋼的組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 新型超高強(qiáng)鋼與其他超高強(qiáng)鋼的拉伸性能對(duì)比

　　突破金屬材料性能極限是近年來(lái)材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)，該研究提出了馬氏體/奧氏體多層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新理念，充分挖掘材料潛力，加深了對(duì)馬氏體結(jié)構(gòu)調(diào)控以及變形機(jī)理的理解和認(rèn)識(shí)，對(duì)推動(dòng)低成本、大尺寸超高強(qiáng)塑性鋼鐵材料的制備和應(yīng)用具有重大現(xiàn)實(shí)意義。該研究不僅對(duì)于鋼鐵材料，也為其他超高強(qiáng)塑性金屬材料的開發(fā)制備提供了新的研究思路。

　　該論文作者為李云杰、袁國(guó)、李琳琳、康健、閻豐凱、杜鵬舉、Dierk Raabe、王國(guó)棟。第一作者李云杰為東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士后，軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室袁國(guó)教授、李琳琳教授，德國(guó)馬普鋼鐵研究所Dierk Raabe教授為論文的共同通訊作者。東北大學(xué)為第一完成單位，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所、中信泰富特鋼興澄特鋼研究院及德國(guó)馬普鋼鐵研究所為合作參與單位。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中央高?；緲I(yè)務(wù)費(fèi)及中國(guó)博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。

　　東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期開展先進(jìn)鋼鐵材料及其加工工藝技術(shù)的研究工作，注重高水平科研平臺(tái)建設(shè)，聚焦本領(lǐng)域科技前沿，推進(jìn)國(guó)際化合作與交流，強(qiáng)化高水平人才培養(yǎng)，同時(shí)注重應(yīng)用需求牽引，持續(xù)深化基礎(chǔ)研究工作。近年來(lái)，相繼在高質(zhì)高端鋼鐵材料、綠色加工工藝、數(shù)字化鋼鐵技術(shù)等基礎(chǔ)理論研究與關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新方面不斷取得新突破。

　　全文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.add7857