东北大学，校史首篇第一单位Science！

具有良好延展性的高强度钢在众多应用中都具有吸引力，但这些合金通常需要使用昂贵的元素或复杂的加工方法制备。

东北大学袁国教授和李琳琳教授，联合德国马普所Dierk Raabe院士团队发现由铁、锰、硅、碳和钒组成的高强度钢可以用不同的加工策略制成，经过锻造、低温处理和回火的创造了一种具有非常高强度的合金，还具有良好的延展性和成型性，该策略也成为了合成其他钢的一种最佳选择。

相关论文以“Ductile 2-GPa steels with hierarchical substructure”为题发表在Science。这也是东北大学校史第一篇以第一单位发表的Science正刊，祝贺！

最近，在变形分配钢（D&P）中，马氏体中的高密度位错已被证明可以通过位错森林硬化和通过滑动移动位错来提高延展性有效。此外，奥氏体内部的化学不连续性作为中锰钢的化学边界，可有效提高强度和延展性，甚至提高钢的抗氢脆性。

化学边界的引入创造了具有可变奥氏体稳定性的亚微米区域，迫使马氏体转变为极细的马氏体-奥氏体微观结构，并具有增强的TRIP效应。通过这种位错和基于化学边界的工程策略，可以生产出均匀伸长率超过15%和拉伸强度水平高达2 GPa。

然而，这些钢显示出广泛的吕德斯带（Lüders band）或者动态应变时效（Portevin-Le Châtelier bands），通常由不均匀的塑性流动机制产生的锯齿状变形图案，导致不希望的变形不均匀。

此外，制造这些钢所需的加工步骤（包括热轧、温轧、冷轧和快速加热等）相当复杂，使其生产效率低下且成本高昂。因此，对延展性、可持续且具有成本效益的2-GPa钢的追求本身就是一个未解决的问题。

马氏体是所有这些超高强度钢的主要微观结构成分，通常以无序的方式排列，即不遵循任何拓扑设计或形状标准（图1A）。它的分层组织和由过饱和间隙碳引起的四方畸变有助于其高强度，但也使其变脆。

然而，马氏体的拓扑有序排列有助于将脆性转化为延展性。例如，在具有层压或棱柱形马氏体的钢中，沿晶界或相界的特定部位分层可以明显提高强度，延展性和韧性（图1B）。

此外，在具有良好取向和拓扑排列的马氏体中可以实现高界面和块状塑性。考虑到所有这些结构优势，

本文开发了一种简单高效的锻造路线，随后进行了深度低温处理和回火。在成分普通中锰钢中实现这些拓扑特征，该材料的分层结构由组织良好的马氏体结构和在棱柱状母体奥氏体中形成的亚稳奥氏体组成（图1C）。这些分层纳米结构钢的拉伸强度值为2.0至2.4 GPa，均匀伸长率为18至25%，总伸长率为24至30%。

图1. Fe-7.4Mn-0.34C-1Si-0.2V钢的分层组织演变

图2. Fe-7.4Mn-0.34C-1Si-0.2V钢的显微组织分析

图3. 与其他超高强度钢相比，所开发的钢的机械性能

图4. Fe-7.4Mn-0.34C-1Si-0.2V钢变形后的显微组织表征

综上，本文的工作提供了一种拓扑结构设计方法，通过将中等亚稳奥氏体的马氏体组织调整为双对齐形貌，在中锰钢中实现有吸引力的延展性和超高强度。

除了渐进的TRIP效应外，锻钢的显微组织还通过构建大体积分数的延性马氏体来利用体相和界面塑性，从而大大提高了材料的整体延展性。通过简单、降低成本和减少排放的热机械处理获得了优异的拉伸性能，该处理与现有工业流程兼容。

作者相信，通过适当调整加工方法和化学成分，可以进一步优化机械性能。这种微观结构设计概念可以扩展和定制以适应许多其他马氏体合金类别，并且可以用于使用标准锻造设备的车辆、航空航天和机械领域的大规模加工，具有广泛的应用。

Yunjie Li, Guo Yuan*, Linlin Li*, Jian Kang, Fengkai Yan, Pengju Du, Dierk Raabe*, Guodong Wang, Ductile 2-GPa steels with hierarchical substructure, 2023, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.add7857#sec-3

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