通过化学异质性实现低碳钢马氏体韧化的创新策略

本研究发现通过闪速退火和冷却在低碳钢马氏体中构建化学异质性（不依赖残余奥氏体），形成软质锰贫化马氏体（MDM）与硬质锰富集马氏体（MEM）的复合结构。这种异质界面产生几何必需位错积累，引发持续背应力硬化（back-stress hardening），最终实现强度-延展性协同提升（残余奥氏体仅～2%），为高性能钢开发提供了新范式。

　　

亮点

• 通过闪速退火在低碳钢中构建马氏体化学异质性

• 形成多变体软质锰贫化马氏体（MDM）与单变体硬质锰富集马氏体（MEM）

• MDM/MEM界面产生几何必需位错（GND）积累

• 背应力硬化（back-stress hardening）实现持续应变强化

• 在残余奥氏体（RA）仅～2%情况下实现优异强塑性匹配

引言

马氏体钢因其高强度在结构材料领域备受关注，但本征低延展性限制了其应用。传统通过残余奥氏体（RA）相变诱导塑性（TRIP）效应改善塑性的方法需要复杂热处理。本研究提出通过化学异质性设计直接调控马氏体本征结构，为高强钢开发提供新思路。

方法

对冷轧铁素体+珠光体初始组织的低合金钢进行闪速退火（flash annealing）和快速冷却，通过锰元素选择性扩散形成化学异质性。采用电子探针（EPMA）分析元素分布，电子背散射衍射（EBSD）表征晶体学特征，透射电镜（TEM）观察位错结构。

结果

化学异质性导致最终马氏体形成结构双相：软相MDM（锰含量<0.5wt%）呈现多变体板条结构，硬相MEM（锰含量>1.2wt%）保持单变体特征。变形过程中MDM/MEM界面产生高达5×10¹⁵ m^-2的几何必需位错（GND）密度，背应力强度达850 MPa。

讨论

MEM区域作为刚性骨架维持强度，MDM区域通过多变体协调促进塑性变形。界面GND积累产生的背应力硬化效应替代了传统TRIP效应，使试样均匀延伸率提升40%，抗拉强度达1.5 GPa。这种化学异质性设计策略突破了马氏体钢强塑性倒置的传统认知。

结论

通过化学异质性成功在马氏体内部构建结构梯度，证明无需依赖残余奥氏体即可实现卓越的强塑性组合。该发现为开发新一代高强钢提供了更简化的工艺路径，具有重要工业应用价值。