近日，钢铁研究总院特殊钢研究院刘振宝教授团队及南京理工大学沙刚教授团队通过合金设计及热处理工艺调控研发了一种新型2.2 GPa级超高强度不锈钢，其室温力学性能指标为：屈服强度1876 MPa、抗拉强度2259 MPa、断后伸长率11.5 %、断面收缩率52 %以及平面断裂韧性43 MPa·m0.5。并基于多尺度、多层级表征结果，针对该合金体系钢种，提出了一种简单有效的优化其强-塑性匹配的热处理工艺，即双重时效处理工艺。相关成果以“Enhanced strength-ductility synergy in a new 2.2 GPa grade ultra-high strength stainless steel with balanced fracture toughness: elucidating the role of duplex aging treatment”为题发表于Journal of Alloys and Compounds。刘振宝教授为第一作者及通讯作者，杨哲博士为共同通讯作者。

论文连接：https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.167135

马氏体超高强度不锈钢因其优异的强度-塑性-断裂韧性匹配、良好的耐蚀性及应力腐蚀抗力，作为高性能结构材料，广泛应用于航空航天、石油化工及海洋工程等高端制造业领域。为了实现各型装备提升燃油效率、结构安全性的设计要求，须在研发更高强度级别超高强度不锈钢的基础上，进一步优化其强-塑性匹配。在不改变钢的合金配比的前提下，仅通过时效处理工艺调控，向钢中引入多种类纳米级析出相及韧性奥氏体组织即可实现其综合力学性能的提升。

热处理工艺调控是有效提高钢铁材料综合服役性能的工艺方法。时效处理过程中，从过饱和马氏体基体中析出的高密度第二相强化颗粒可作为位错运动的有效“障碍”，从而产生强烈的时效硬化效应、提升材料强度，但其不利于塑、韧性增强。不同种类析出相复合析出及于马氏体板条处部分逆转变形成的薄膜状奥氏体组织可显著优化马氏体高强钢的强-塑性匹配。

本文首次采用独特的双重时效处理工艺，通过引入三种不同种类高密度纳米级析出相（M2C、Laves相、α’Cr）及韧性逆转变奥氏体，获得了具有良好塑、韧性的2.2 GPa级超高强度不锈钢。且相较于单次时效处理工艺，第二次时效处理过程中，Laves相体积分数增加、富Cr基体调幅分解加剧（α’Cr进一步析出）及逆转变奥氏体含量增加同时提升了试验钢的强-塑性。上述研究结果表明采用双重时效处理工艺可调控析出相及奥氏体体积分数、基体调幅分解程度，有效优化了该合金体系超高强度不锈钢强-塑性匹配。

经双重时效处理后，试验钢的强度（屈服、抗拉强度）和塑性（断后伸长率及面缩）同时提升，且双重时效态试验钢的抗拉强度-平面断裂韧度匹配在现有报道的超高强度不锈钢中最优。经多层级、多尺度表征结果统计表明，单、双时效态试验钢板条马氏体层级亚结构（原奥氏体晶粒、板条束、板条块及板条）的平均尺寸不存在显著差异。因此，单、双时效态试验钢的力学性能差异应主要取决于双重时效处理过程中纳米析出相及逆转变奥氏体的析出行为。

结合透射电镜、三维原子探针(3D-APT)表征及Thermo-calc热力学计算结果，发现经时效处理后钢中析出针状高密度碳化物(M2C)、富Mo金属间化合物相(Laves相)以及由调幅分解产生的、与α-Fe基体完全共格的α’Cr。经双重时效处理后，三类析出相的体积分数均呈上升趋势。其中，M2C体积分数变化较小，Laves相及α’Cr体积分数则大幅提高。由XRD及EBSD表征结果可知，虽时效态试验钢中奥氏体积分分数处于较低水平，但经双重时效处理后钢中奥氏体体积分数显著增加。

分别使用Orowan绕过、切过机制及Ardell模型（该模型充分考虑了调幅分解的扩散特性及非典型正弦浓度波特征，且采用调幅分解波长及振幅参数进行计算）分别计算M2C、Laves相、α’Cr析出强化机制对于试验钢室温屈服强度的贡献量。结果表明：双重时效处理后，Laves相的进一步析出及基体调幅分解的加剧是试验钢进一步强化的原因。其中，Laves相引发屈服强度增量最大，而α’Cr相贡献强度增量增速最高。其塑性同步提升机制在于纳米级析出相不仅可有效阻碍位错，亦可延缓形变局部化及颈缩失稳进程，并通过促进位错在激活滑移面的均匀滑移从而均匀化形变。此外，逆转变奥氏体含量的提升可有效促进协同形变及应力-应变配分。

通过双重时效处理工艺向板条马氏体基体中引入高密度不同种类纳米级析出相及逆转变奥氏体，进一步优化了新型试验钢的强-塑性匹配，获得了具有良好塑性、断裂韧性的2.2 GPa级超高强度不锈钢。为该钢种强-塑性匹配优化提供了全新的简单、可靠的热处理工艺方案。

图1. (a) 单次时效热处理工艺图; (b) 双重时效热处理工艺图

图2. (a) 不同热处理态试验钢应力-应变曲线 (ST-固溶态, FAT-单次时效态, SAT-双重时效态); (b) 抗拉强度vs.平面断裂韧度Ashby图

图3. 双重时效态试样钢TEM表征结果(a) 低倍率暗场像; (b) 图(a)中绿色框选区域的高倍率高角环形暗场(HADDF)相; (c-e) EDS面扫能谱(Fe/Cr, Fe/Mo, C) ; (f) [001]α轴入射电子束得高分辨原子相; (g) 图(f)中红色框选区域快速傅里叶变换所得衍射斑点及其标定结果

图4. 双重时效态试样APT表征结果：(a) 富Mo相(Laves相)及碳化物(M2C相)析出(选取等浓度面为10 at.% C, 10 at.% Mo以及10 at.% C); 反映选定区域(Region of Interest, ROI)(b) ROI-7及(c) ROI-9沿黄色箭头方向元素分布的邻近直方图(Proximity histogram)

图5. 单、双时效态试样钢Cr原子最临界原子分布分析结果(a) 单时效态; (b) 双时效态; (c) 时效态试验钢Cr-Cr原子对径向分布函数分析结果

图6. 时效处理过程钢中微观组织演变示意图