低温工程概念广泛应用于先进能源、国防军工及大科学装置建设等国家战略工程领域。具有米级直径的大型低温工程锻件是现代航空航天及石化工业领域装备的核心部件。在低温及复杂交变载荷工况下，该大型锻件需兼备高强度及良好低温韧性。虽然当前常用低温马氏体时效钢具备高强度，但受到材料“尺寸效应”制约，该类型钢厚大断面锻件仍存在低温韧性不足、内外组织性能不均匀等突出问题，使得重大低温工程项目建设受到掣肘。

为解决该实际工程问题，中科院金属所先进钢铁材料研究部孙明月、李殿中团队突破了传统马氏体时效钢“高温固溶+峰时效”常规热处理工艺局限，提出了一种“两次低温固溶+中温过时效”新型热处理工艺（图1），制备出了具有超细晶双相组织的马氏体时效钢。相比于常规工艺，新型实验钢的-196℃超低温冲击功提升10倍以上（AKV：~140 J），同时屈服强度无显著衰减（图2）。

该团队进一步与香港大学机械工程系黄明欣团队合作，发现尽管过时效后钢中形成50%体积分数的奥氏体（图3），但高密度Ni3（Ti,Al） 纳米增强颗粒在“马氏体+奥氏体”双相结构中共析出特征保证了高强度（图4~图6）；优异的低温韧性来源于：超细晶特征结构，高含量无韧脆转变特性FCC奥氏体相及其在冲击过程中发生的相变诱导塑性（TRIP）韧化效应，如图7所示。

相关论文以题为“Ultrafine-graineddual-phase maraging steel with high strength and excellent cryogenic toughness”发表在Acta Materialia。本文第一作者为中科院金属所博士生张洪林，通讯作者为中科院金属所孙明月研究员和香港大学黄明欣教授，合作者还包括中科院金属所徐斌项目研究员、李殿中研究员和李依依院士，中国空气动力研究与发展中心马东平高级工程师，香港大学博士生刘宇轩。本工作得到国家重点研发计划，国家自然科学基金，中科院重点部署项目和创新交叉团队等项目支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116878

图1 （a）新型热处理工艺路线，包括预固溶（P-ST）、常规固溶（N-ST）处理及500℃过时效处理；（b）常规热处理工艺路线，包括高温固溶及500℃峰时效。

图2 （a）新型实验钢室温强度，-196℃低温冲击吸收功随时效时间的变化，方形符号代表常规热处理实验钢力学性能；（b）不同温度下新型实验钢冲击吸收功及其与其他结构材料的（c）室温屈服强度，-196℃低温冲击吸收功的比较。

图3 EBSD表征马氏体（绿色）及奥氏体（黄色）双相分布：（a, b）新型实验钢及（c）常规热处理实验钢；不同时间时效后（d）马氏体板条束及奥氏体晶粒尺寸变化，（e）奥氏体含量变化。

图4 APT表征新型实验钢“马氏体+奥氏体”双相中Ni3（Ti,Al）析出相：（a）基于Ni、Ti等浓度面的三维组织重构；（b）Ni、Ti及Al元素二维浓度分布；（c）多相组织的一维浓度分布；（d）奥氏体中析出相等浓度分布。

图5 高分辨TEM表征新型实验钢中纳米增强相的析出：（a）h-Ni3（Ti,Al）析出相位于马氏体/奥氏体相界面；快速傅里叶变换图像：（b）马氏体/奥氏体相界面，（c）h析出相/奥氏体相界面，（d）h析出相/马氏体相界面；（e）环形明场扫描TEM图像，（f）析出相能谱及（g）放大后高分辨TEM图像显示奥氏体内部的h析出相。

图6 （a）基于高斯拟合得到不同时间时效后马氏体中h析出相的长度、半径及间距的统计值；（b）不同时间时效后奥氏体及马氏体平均纳米硬度值，表明新型实验钢中奥氏体具有与马氏体相当的高硬度。

图7 低温断裂特征及韧化机制：（a, b）新型实验钢韧性冲击断口形貌，（c）常规热处理实验钢脆性冲击断口形貌；（d,e, h, i）新型实验钢的TRIP效应增韧；（f, g）常规热处理实验钢穿晶脆性断裂特征。

本研究提出的新型热处理工艺路线，具有较宽的工业生产窗口，有利于提升厚大截面马氏体时效钢力学性能均匀性，可作为高性能大型低温工程锻件的潜在研制方案。