【東大Science發文】
Ductile 2-GPa steels
with hierarchical substructure
2023年1月13日，東北大學軋制技術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國際頂級期刊Science上以“Ductile 2-GPa steels with hierarchical substructure”為題，發表了在超高強鋼鐵材料增塑機制及組織創新設計方面的最新研究成果。
同時提升強度和塑性，是鋼鐵材料領域長期以來存在的重大理論難題，也是從基礎研究到技術創新和應用實踐的瓶頸。尤其當強度達到2000 MPa級別時，塑性出現斷崖式下降，均勻延伸率普遍低于10%，其根本原因在于傳統馬氏體的初始高密度位錯難以繼續增殖，且無序排列的幾何取向結構微觀塑性變形極不均勻，容易產生局部應力/應變集中。因此，探索新的增塑機制，以節約型合金設計和簡單高效的制備工藝，獲得低成本高塑性的2000 MPa超高強鋼仍然是巨大挑戰。
面對上述挑戰，研究團隊創新提出“馬氏體拓撲學結構設計+亞穩相調控”協同增塑新機制，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雜制備工藝和昂貴合金成分的依賴，也突破了現有2000 MPa級馬氏體高強鋼抗拉強度—均勻延伸率的性能邊界。同時，提出簡單高效的制備工藝路線，構筑出一種全新的拓撲學雙重有序排列的馬氏體和多尺度亞穩奧氏體的納米級多層次組織結構。該組織結構通過在變形過程中誘發板條界面（in-lath-plane slip）位錯滑移、界面塑性和相變誘發塑性（TRIP）等多種增強增塑機制，促使材料具有持續較高的加工硬化能力，大幅度提升其強度和塑性，實現了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。
圖1 新型超高強鋼的組織結構設計
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/奧氏體多層次結構設計新理念，充分挖掘材料潛力，加深了對馬氏體結構調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用具有重大現實意義。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制備提供了新的研究思路。
該論文作者為李云杰、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軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室博士后，軋制技術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。東北大學為第一完成單位，中國科學院金屬研究所、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。該研究工作得到了國家自然科學基金、中央高校基本業務費及中國博士后科學基金等項目資助。
東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室長期開展先進鋼鐵材料及其加工工藝技術的研究工作，注重高水平科研平臺建設，聚焦本領域科技前沿，推進國際化合作與交流，強化高水平人才培養，同時注重應用需求牽引，持續深化基礎研究工作。近年來，相繼在高質高端鋼鐵材料、綠色加工工藝、數字化鋼鐵技術等基礎理論研究與關鍵技術創新方面不斷取得新突破。
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