【東大Science發文】

Ductile 2-GPa steels 

with hierarchical substructure

　　2023年1月13日，東北大學軋製技術及連軋自動化國家重點實驗室王國棟院士/袁國教授研究團隊在國際頂級期刊Science上以“Ductile 2-GPa steels with hierarchical substructure”為題，發表了在超高強鋼鐵材料增塑機製及組織創新設計方麵的最新研究成果。

　　同時提升強度和塑性
，是鋼鐵材料領域長期以來存在的重大理論難題

，也是從基礎研究到技術創新和應用實踐的瓶頸。尤其當強度達到2000 MPa級別時，塑性出現斷崖式下降，均勻延伸率普遍低於10%，其根本原因在於傳統馬氏體的初始高密度位錯難以繼續增殖，且無序排列的幾何取向結構微觀塑性變形極不均勻，容易產生局部應力/應變集中。因此，探索新的增塑機製
，以節約型合金設計和簡單高效的製備工藝，獲得低成本高塑性的2000 MPa超高強鋼仍然是巨大挑戰。

　　麵對上述挑戰，研究團隊創新提出“馬氏體拓撲學結構設計+亞穩相調控”協同增塑新機製，成功製備出係列低成本C-Mn係新型超高強鋼
，打破了超高強鋼對複雜製備工藝和昂貴合金成分的依賴，也突破了現有2000 MPa級馬氏體高強鋼抗拉強度—均勻延伸率的性能邊界。同(tong)時(shi)，提(ti)出(chu)簡(jian)單(dan)高(gao)效(xiao)的(de)製(zhi)備(bei)工(gong)藝(yi)路(lu)線(xian)，構(gou)築(zhu)出(chu)一(yi)種(zhong)全(quan)新(xin)的(de)拓(tuo)撲(pu)學(xue)雙(shuang)重(zhong)有(you)序(xu)排(pai)列(lie)的(de)馬(ma)氏(shi)體(ti)和(he)多(duo)尺(chi)度(du)亞(ya)穩(wen)奧(ao)氏(shi)體(ti)的(de)納(na)米(mi)級(ji)多(duo)層(ceng)次(ci)組(zu)織(zhi)結(jie)構(gou)。該(gai)組(zu)織(zhi)結(jie)構(gou)通(tong)過(guo)在(zai)變(bian)形(xing)過(guo)程(cheng)中(zhong)誘(you)發(fa)板(ban)條(tiao)界(jie)麵(mian)（in-lath-plane slip）位錯滑移、界麵塑性和相變誘發塑性（TRIP）等多種增強增塑機製，促使材料具有持續較高的加工硬化能力，大幅度提升其強度和塑性

，實現了1600~1900 MPa屈服強度
，2000~2400 MPa抗拉強度和18%~25%均勻延伸率的極致性能。

 

圖1 新型超高強鋼的組織結構設計

圖2 新型超高強鋼與其他超高強鋼的拉伸性能對比

　　突破金屬材料性能極限是近年來材料領域研究的熱點與難點，該研究提出了馬氏體/奧氏體多層次結構設計新理念
，充分挖掘材料潛力，加深了對馬氏體結構調控以及變形機理的理解和認識
，對推動低成本
、大(da)尺(chi)寸(cun)超(chao)高(gao)強(qiang)塑(su)性(xing)鋼(gang)鐵(tie)材(cai)料(liao)的(de)製(zhi)備(bei)和(he)應(ying)用(yong)具(ju)有(you)重(zhong)大(da)現(xian)實(shi)意(yi)義(yi)。該(gai)研(yan)究(jiu)不(bu)僅(jin)對(dui)於(yu)鋼(gang)鐵(tie)材(cai)料(liao)，也(ye)為(wei)其(qi)他(ta)超(chao)高(gao)強(qiang)塑(su)性(xing)金(jin)屬(shu)材(cai)料(liao)的(de)開(kai)發(fa)製(zhi)備(bei)提(ti)供(gong)了(le)新(xin)的(de)研(yan)究(jiu)思(si)路(lu)。

　　該論文作者為李雲傑
、袁國、李琳琳、康健
、閻豐凱、杜鵬舉、Dierk Raabe
、王國棟。第一作者李雲傑為東北大學軋製技術及連軋自動化國家重點實驗室博士後
，軋製技術及連軋自動化國家重點實驗室袁國教授
、李琳琳教授，德國馬普鋼鐵研究所Dierk Raabe教授為論文的共同通訊作者。東北大學為第一完成單位，中國科學院金屬研究所、中信泰富特鋼興澄特鋼研究院及德國馬普鋼鐵研究所為合作參與單位。該研究工作得到了國家自然科學基金、中央高校基本業務費及中國博士後科學基金等項目資助。

　　東(dong)北(bei)大(da)學(xue)軋(zha)製(zhi)技(ji)術(shu)及(ji)連(lian)軋(zha)自(zi)動(dong)化(hua)國(guo)家(jia)重(zhong)點(dian)實(shi)驗(yan)室(shi)長(chang)期(qi)開(kai)展(zhan)先(xian)進(jin)鋼(gang)鐵(tie)材(cai)料(liao)及(ji)其(qi)加(jia)工(gong)工(gong)藝(yi)技(ji)術(shu)的(de)研(yan)究(jiu)工(gong)作(zuo)，注(zhu)重(zhong)高(gao)水(shui)平(ping)科(ke)研(yan)平(ping)台(tai)建(jian)設(she)
，聚(ju)焦(jiao)本(ben)領(ling)域(yu)科(ke)技(ji)前(qian)沿(yan)
，推(tui)進(jin)國(guo)際(ji)化(hua)合(he)作(zuo)與(yu)交(jiao)流(liu)，強(qiang)化(hua)高(gao)水(shui)平(ping)人(ren)才(cai)培(pei)養(yang)，同(tong)時(shi)注(zhu)重(zhong)應(ying)用(yong)需(xu)求(qiu)牽(qian)引(yin)，持(chi)續(xu)深(shen)化(hua)基(ji)礎(chu)研(yan)究(jiu)工(gong)作(zuo)。近(jin)年(nian)來(lai)，相(xiang)繼(ji)在(zai)高(gao)質(zhi)高(gao)端(duan)鋼(gang)鐵(tie)材(cai)料(liao)、綠色加工工藝、數字化鋼鐵技術等基礎理論研究與關鍵技術創新方麵不斷取得新突破。

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