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具有良好延展性的高強度鋼在眾多應用中都具有吸引力，但這些合金通常需要使用昂貴的元素或復雜的加工方法制備。

東北大學袁國教授和李琳琳教授，聯合德國馬普所Dierk?Raabe院士團隊發現由鐵、錳、硅、碳和釩組成的高強度鋼可以用不同的加工策略制成，經過鍛造、低溫處理和回火的創造了一種具有非常高強度的合金，還具有良好的延展性和成型性，該策略也成為了合成其他鋼的一種最佳選擇。

相關論文以“Ductile 2-GPa steels with hierarchical substructure”為題發表在Science。這也是東北大學校史第一篇以第一單位發表的Science正刊，祝賀！

最近，在變形分配鋼（D&P）中，馬氏體中的高密度位錯已被證明可以通過位錯森林硬化和通過滑動移動位錯來提高延展性有效。此外，奧氏體內部的化學不連續性作為中錳鋼的化學邊界，可有效提高強度和延展性，甚至提高鋼的抗氫脆性。

化學邊界的引入創造了具有可變奧氏體穩定性的亞微米區域，迫使馬氏體轉變為極細的馬氏體-奧氏體微觀結構，并具有增強的TRIP效應。通過這種位錯和基于化學邊界的工程策略，可以生產出均勻伸長率超過15%和拉伸強度水平高達2 GPa。

然而，這些鋼顯示出廣泛的呂德斯帶（Lüders band）或者動態應變時效（Portevin-Le Chatelier bands），通常由不均勻的塑性流動機制產生的鋸齒狀變形圖案，導致不希望的變形不均勻。

此外，制造這些鋼所需的加工步驟（包括熱軋、溫軋、冷軋和快速加熱等）相當復雜，使其生產效率低下且成本高昂。因此，對延展性、可持續且具有成本效益的2-GPa鋼的追求本身就是一個未解決的問題。

馬氏體是所有這些超高強度鋼的主要微觀結構成分，通常以無序的方式排列，即不遵循任何拓撲設計或形狀標準（圖1A）。它的分層組織和由過飽和間隙碳引起的四方畸變有助于其高強度，但也使其變脆。

然而，馬氏體的拓撲有序排列有助于將脆性轉化為延展性。例如，在具有層壓或棱柱形馬氏體的鋼中，沿晶界或相界的特定部位分層可以明顯提高強度，延展性和韌性（圖1B）。

此外，在具有良好取向和拓撲排列的馬氏體中可以實現高界面和塊狀塑性。考慮到所有這些結構優勢，

本文開發了一種簡單高效的鍛造路線，隨后進行了深度低溫處理和回火。在成分普通中錳鋼中實現這些拓撲特征，該材料的分層結構由組織良好的馬氏體結構和在棱柱狀母體奧氏體中形成的亞穩奧氏體組成（圖1C）。這些分層納米結構鋼的拉伸強度值為2.0至2.4 GPa，均勻伸長率為18至25%，總伸長率為24至30%。

圖1. Fe-7.4Mn-0.34C-1Si-0.2V鋼的分層組織演變

圖2. Fe-7.4Mn-0.34C-1Si-0.2V鋼的顯微組織分析

圖3. 與其他超高強度鋼相比，所開發的鋼的機械性能

圖4. Fe-7.4Mn-0.34C-1Si-0.2V鋼變形后的顯微組織表征

綜上，本文的工作提供了一種拓撲結構設計方法，通過將中等亞穩奧氏體的馬氏體組織調整為雙對齊形貌，在中錳鋼中實現有吸引力的延展性和超高強度。

除了漸進的TRIP效應外，鍛鋼的顯微組織還通過構建大體積分數的延性馬氏體來利用體相和界面塑性，從而大大提高了材料的整體延展性。通過簡單、降低成本和減少排放的熱機械處理獲得了優異的拉伸性能，該處理與現有工業流程兼容。

作者相信，通過適當調整加工方法和化學成分，可以進一步優化機械性能。這種微觀結構設計概念可以擴展和定制以適應許多其他馬氏體合金類別，并且可以用于使用標準鍛造設備的車輛、航空航天和機械領域的大規模加工，具有廣泛的應用。

Yunjie Li, Guo Yuan*, Linlin Li*, Jian Kang, Fengkai Yan, Pengju Du, Dierk Raabe*, Guodong Wang, Ductile 2-GPa steels with hierarchical substructure, 2023, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.add7857#sec-3

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