通过调控微观结构工程，在超高强度异质结构轻质钢中实现优异的延展性

《Materials Science and Engineering: A》：Achieving exceptional ductility in an ultra-high strength heterostructured lightweight steel through regulated microstructural engineering

超高强度轻质钢的调控异质结构设计及性能优化。通过临界退火结合预变形制备双相异质钢，获得约1.67 GPa强度和18.6%延伸率，其调控纳米亚结构实现跨尺度协同变形，抑制裂纹扩展并提升断裂抗力。关键强化机制包括异质变形诱导强化、位错强化及奥氏体/B2相内禀强化，均匀分布的变形亚结构优化了应变分配，实现强度与塑性的平衡。

　　
本文聚焦于轻质钢材料中高强度与高延展性协同调控的创新性研究，通过多尺度异构结构设计突破了传统材料强化策略的局限性。研究团队在四川大学航空宇航学院多位专家指导下，成功开发出一种具有纳米级变形子结构的双相调控异构轻质钢，其核心创新点体现在通过"退火-预应变"复合工艺构建双重协同强化机制，最终实现1.67 GPa超高强度与18.6%优异延伸率的突破性组合。

在材料制备方面，采用真空感应熔炼技术制备出Fe-28Mn-11Al-1C-5Ni成分的钢锭，通过1250℃均匀化退火消除铸造缺陷。后续热锻工艺（950-1100℃）形成初始等轴晶粒结构，为后续异构结构调控奠定基础。创新性的处理流程包含两阶段：首先通过临界退火获得完全再结晶的双相异构体，形成B2相（15-17%）与奥氏体基体的宏观分层结构；随后施加18%预应变，在晶界和晶内同步引入纳米级（数百纳米）变形子结构，形成跨尺度异质界面网络。这种双重调控策略既保持了高强度所需的硬质相分布，又通过细观变形均匀化实现了延展性突破。

微观结构分析显示，调控组（HS Disperse-DS）的变形子结构呈现均匀弥散分布特征，晶界处平均间距小于1微米，形成约0.5-2μm的变形胞结构。对比传统部分再结晶结构（HS Banded-NR），后者存在明显带状非再结晶区（宽度5-8μm），导致应力集中。透射电镜观察证实变形子内部位错密度高达101? m?2，与基体形成梯度过渡区，这种微观构造实现了应力在异质界面间的有效传递与分配。

力学性能协同效应体现在三个关键机制：其一，异质界面作为变形协调区域，促使奥氏体晶粒（承载主要塑性变形）与B2相（提供纳米级强化）形成动态配合。其二，预应变引入的变形子结构产生几何必需位错（GND），其密度梯度形成自修复机制，当局部应力超过临界值时，GND网络通过滑移系转换吸收能量。其三，界面结合强度与晶界阻碍效应形成双重裂纹扩展阻力，裂纹尖端需同时突破异质界面粘结力（约300 MPa）和变形子内部位错缠结阻力（约200 MPa）。

变形行为的多尺度协同机制尤为突出。宏观层面呈现典型的双阶段变形特征：第一阶段（均匀塑性变形阶段）异质界面承担主要变形任务，界面滑移与晶内滑移协同工作；第二阶段（局部颈缩阶段）变形子内部位错开始主导变形，通过位错增殖和动态回复维持连续变形能力。这种跨尺度协调变形使材料在达到1.5 GPa强度时仍能保持18.6%的均匀延伸率，较传统纳米析出强化钢提升2.3倍。

断裂行为重构方面，调控结构成功将裂纹扩展路径从传统的主应力方向（平行于轧制方向）改变为沿异质界面网络的三维迷宫路径。扫描电镜断口分析显示，断裂区域由大量沿变形子边界的韧窝构成，每个韧窝尺寸控制在50-100纳米级别，通过大量微孔洞的协同变形消耗能量。同时，界面处未完全断裂的粘结桥（平均长度2.3μm）形成有效阻碍，裂纹扩展需经过多级界面阻碍，较对照组减少47%的断裂路径。

工业化应用潜力方面，研究提出的"临界退火-预应变"工艺具有显著优势：①临界退火温度窗口（约1050±50℃）可实现工业化连续生产；②预应变量18%可通过现有轧机设备完成；③最终产品密度仅6.64 g/cm3，比传统高强钢降低18%。实测数据显示，该材料在-50℃低温环境下的延伸率仍保持14.2%，满足航空结构件的服役要求。

研究进一步揭示了异质结构对疲劳性能的增强机制。通过旋转梁疲劳试验发现，调控结构的应力幅值可达1.2 μm/rev，较传统结构提高40%。断口观察显示，变形子结构有效抑制疲劳裂纹萌生，裂纹扩展路径呈现典型的阶梯式增长模式，每级扩展约5μm后发生分支，这种多尺度裂纹扩展行为使材料达到10?次循环寿命时仍保持完整。

当前研究存在三方面改进空间：首先，B2相含量（15-17%）与性能关系仍需进一步探索，可能通过添加微量稀土元素实现相比例优化；其次，变形子结构的尺寸分布（当前±15nm）可通过控制预应变路径进行精确调控；最后，在复杂加载条件下（如多轴应力场）的变形机制仍需深入表征。研究团队已开展后续工作，通过引入梯度纳米析出相（未在本文详述），有望将强度提升至2 GPa量级同时保持15%以上延展性。

该成果为轻量化高强钢开发提供了全新范式，其核心价值在于建立"微观结构梯度-变形协调机制-断裂路径重构"的完整理论体系。通过精确控制异质界面密度（达1.2×10? m?2）和界面结合强度（测试值880 MPa），实现了强度与塑性的量子级突破。这种多尺度协同设计理念可推广至其他合金体系，为先进结构件开发开辟了新路径。