氮合金化Fe-Cr-Ni-Mn-Mo-N低磁不锈钢的热轧板力学性能与塑性变形机制研究

为解决低磁不锈钢(LMSS)热轧板在提升屈服强度时难以兼顾延展性、耐腐蚀性和稳定顺磁性的技术难题，研究人员通过氮合金化成功制备出两种Fe-Cr-Ni-Mn-Mo-0.37/0.47 N成分的LMSS热轧板，其屈服强度达621 MPa，延伸率为47.2%，并系统揭示了氮含量对堆垛层错能(SFE)、短程有序(SRO)及变形孪生/滑移机制的调控作用，为高性能LMSS开发提供理论支撑。

　　

在核工业、海洋工程等高端装备领域，低磁不锈钢(LMSS)因其近乎零磁导率的顺磁特性和优异耐腐蚀性成为不可替代的结构材料。然而传统LMSS热轧板存在致命短板——屈服强度仅200-350 MPa，严重制约其在承力部件中的应用。更棘手的是，常规强化手段如相变强化会破坏顺磁性，细晶强化需复杂工艺，沉淀强化可能引发Cr₂₃
C₆
等有害相析出。如何突破"强度-塑性-磁性"的"魔鬼三角"约束，成为国际材料界的攻坚目标。

中国的研究团队独辟蹊径，选择氮合金化这一技术路径，通过压力熔炼制备出氮含量分别为0.37 wt%和0.47 wt%的Fe-Cr-Ni-Mn-Mo-N系LMSS热轧板。研究发现，氮原子固溶不仅直接提升强度，更通过调控堆垛层错能(SFE)和短程有序(SRO)改变了塑性变形机制。当氮含量增至0.47 wt%时，材料屈服强度飙升146 MPa，而延伸率仍保持47.2%的高水平。这种"鱼与熊掌兼得"的突破性成果发表于《Materials Chemistry and Physics》，为LMSS的工业化应用打开新局面。

研究采用电子背散射衍射(EBSD)分析显微组织，X射线衍射(XRD)确认相组成，通过透射电镜(TEM)观察变形亚结构，结合纳米压痕测试计算SFE值。拉伸试验机获取力学性能数据，磁强计验证顺磁稳定性，电化学工作站评估耐点蚀性能。

初始微观结构
EBSD显示两种钢均为等轴奥氏体晶粒，含大量Σ3退火孪晶。15-4H钢（0.47 wt%N）平均晶粒尺寸12.3 μm，略小于15-4M钢（0.37 wt%N）的13.8 μm。XRD证实无有害相析出，确保顺磁性稳定。

应变硬化行为
真应力-应变曲线呈现典型三阶段特征：第I阶段（ε<0.1）因位错动态回复导致硬化率骤降；第II阶段（0.1<ε<0.3）出现"拐点"，15-4h钢的硬化率比15-4m高18%，归因于氮增强的sro效应阻碍位错运动；第iii阶段（ε>0.3）硬化率回升，15-4M钢因变形孪生产生孪生诱导塑性(TWIP)效应，而15-4H钢则通过微带形成维持加工硬化能力。

塑性变形机制
TEM分析揭示：15-4M钢中广泛存在<111>/60°位错反应形成的层错四面体(SFT)和孪晶界，而15-4H钢以平面滑移带为主。氮含量提升使SFE从28 mJ/m²
(15-4M)增至35 mJ/m²
(15-4H)，抑制孪生转而促进位错滑移。原子探针断层扫描(APT)证实15-4H钢中Cr-N原子对偏聚度达35%，这种SRO结构是强化效果的关键。

讨论与结论
该研究首次阐明高氮LMSS的强韧化机理：1) 每增加0.1 wt%氮可产生~150 MPa固溶强化；2) SFE提升改变变形机制谱系，从TWIP主导转向平面滑移主导；3) SRO结构产生化学短程有序强化。这种多尺度协同作用使材料在621 MPa屈服强度下仍保持47.2%延伸率，且相对磁导率μ_r
<1.005。成果为开发舰船消磁壳体、核磁共振设备等特种材料提供新范式，被同行评价为"解决了奥氏体不锈钢领域长达二十年的强度-塑性权衡困境"。