Cr掺杂高锰奥氏体钢的亚分钟退火工艺实现1 GPa级超高强度与良好塑性的协同优化

本研究针对高锰钢(HMS)强度-塑性难以兼得的行业难题，通过创新性冷轧结合亚分钟退火工艺（650℃/15-60s），成功制备出屈服强度(YS)达1.29 GPa且延伸率24%的异质结构TWIP钢。该材料兼具纳米/超细晶(UFG)、位错网络、(Cr,Mn)23C6纳米析出相及变形孪晶(DTs)等多尺度特征，揭示了背应力硬化与纳米孪晶动态阻碍位错的强韧化机制，为开发高性能稳定奥氏体钢提供了新思路。

　　

在金属材料领域，如何突破强度与塑性的"倒置关系"一直是科学家们孜孜以求的圣杯。特别是对于高锰奥氏体钢(HMS)这类先进高强钢(AHSS)，虽然其固有的孪生诱导塑性(TWIP效应)能提供优异延展性，但实现千兆帕(1 GPa)级超高强度仍面临巨大挑战。传统工艺如多重冷轧-退火循环或深冷轧制虽能提升强度，却伴随着高昂成本和复杂工序，严重制约工业应用。

为破解这一困局，研究人员独辟蹊径地开发出"冷轧+亚分钟退火"的短流程工艺。通过精确调控Fe-24Mn-3.1Cr-0.35C(wt.%)合金在650℃下15-60秒的退火窗口，成功构建出包含超细晶区(软域)与高位错密度区(硬域)的异质结构。这种"软硬兼施"的微观设计，使材料在拉伸时产生应变梯度，诱发几何必需位错(GNDs)的背应力硬化效应，最终实现强度与塑性的完美平衡。

研究团队采用多尺度表征技术体系：通过场发射扫描电镜(FE-SEM)结合电子背散射衍射(EBSD)解析晶粒取向演变，利用透射电镜(TEM)捕捉纳米析出相与变形孪晶的精细结构，并借助激光非接触引伸计精确测量力学性能。特别值得注意的是，通过盐浴退火实现秒级精确控温，为获得梯度再结晶组织提供了关键技术保障。

【材料与方法】
实验选用热轧态HMS板材，经850℃/30min固溶处理后进行70%冷轧。通过对比650℃下15s/30s/45s/60s四种退火工艺发现，A45样品展现出最优综合性能——屈服强度1002 MPa，均匀延伸率24%。EBSD相图证实所有条件均保持单一γ-奥氏体相，KAM图清晰显示再结晶区(低KAM值)与变形区(高KAM值)的空间分布。

【结果与讨论】
TEM分析揭示出三大关键特征：(1)30-40nm的(Cr,Mn)₂₃C₆碳化物通过Ashby-Orowan机制强化基体；(2)非再结晶区域存在纳米孪晶束与位错胞状结构；(3)变形后样品中观察到50nm级变形孪晶动态形成。强度定量分析表明，Hall-Petch强化仅贡献271MPa，其余731MPa强度增量来自位错(σ_dis)、析出相(σ_p)与孪晶(σ_DT)的协同作用。

【结论】
该研究开创性地证明：通过Cr元素辅助的纳米析出与亚分钟退火控制，可在单相稳定HMS中实现1 GPa级屈服强度。其创新价值体现在：(1)提出"短时程异质结构"设计理念，突破传统工艺限制；(2)阐明纳米孪晶与位错交互作用的动态硬化机制；(3)开发出可产业化的高效制备技术。相关成果发表于《Journal of Materials Research and Technology》，为航空航天、新能源汽车等领域的轻量化设计提供了新材料解决方案。