2023年1月13日，science以長文（research article）形式在線發(fā)表了東北大學(xué)軋制技術(shù)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超高強鋼鐵材料增塑機制及組織創(chuàng)新設(shè)計方面的最新研究成果“ductile 2-gpa steels with hierarchical substructure”（doi：10.1126/science.add7857）。論文作者為李云杰、袁國、李琳琳、康健、閻豐凱、杜鵬舉、dierk raabe、王國棟。第一作者李云杰為東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室博士后，軋制技術(shù)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(xué)為第一完成單位，中國科學(xué)院金屬研究所、中信泰富特鋼興澄特鋼研究院及德國馬普鋼鐵研究所為合作參與單位。
強度和塑性的同時提升是鋼鐵材料領(lǐng)域長期以來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)用實踐的瓶頸，尤其當強度達到2000 mpa級別時，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難以繼續(xù)增殖，且無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。該研究針對2000 mpa級馬氏體超高強鋼塑性低的問題，創(chuàng)新提出“馬氏體拓撲學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計+亞穩(wěn)相調(diào)控”協(xié)同增塑新機制，成功制備出系列低成本c-mn系新型超高強鋼，打破了超高強鋼對復(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級馬氏體高強鋼抗拉強度—均勻延伸率的性能邊界。研究團隊提出簡單高效的制備工藝路線，構(gòu)筑出一種全新的拓撲學(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）位錯滑移、界面塑性和相變誘發(fā)塑性（trip）等多種增強增塑機制，促使材料具有持續(xù)較高的加工硬化能力，大幅度提升其強度和塑性，實現(xiàn)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。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、中央高?；緲I(yè)務(wù)費及中國博士后科學(xué)基金等項目資助。
圖1 新型超高強鋼的組織結(jié)構(gòu)設(shè)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(lǐng)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(jié)構(gòu)設(shè)計新理念，充分挖掘材料潛力，加深了對馬氏體結(jié)構(gòu)調(diào)控以及變形機理的理解和認識，對推動低成本、大尺寸超高強塑性鋼鐵材料的制備和應(yīng)用具有重大現(xiàn)實意義。該研究不僅對于鋼鐵材料，也為其他超高強塑性金屬材料的開發(fā)制備提供了新的研究思路。
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