导读：相变诱导塑性（TRIP）效应是提升马氏体时效不锈钢（MSSs）力学性能与加工硬化能力的最有效方法之一。然而，由于难以调控逆转变奥氏体（RA）的稳定性，控制TRIP效应极具挑战性。在本研究中，通过在逆转变奥氏体中引入纳米析出相，我们显著提高了马氏体时效不锈钢的加工硬化能力。我们仔细研究了有纳米析出相修饰和无纳米析出相修饰的逆转变奥氏体（分别记为RADP和RANDP）所起的作用。与RANDP相比，RA内Ni₃(Ti, Mo)和富Mo相的析出，使得RADP中的堆垛层错能（SFE）较低。在变形初始阶段，由于堆垛层错能低，RADP易发生TRIP效应，从而有效缓解应力。随着变形进一步发展，RA内的纳米析出相能够阻碍1/6<112>肖克利不全位错的运动，延缓相变，进而提高RA的稳定性。这使得应力能够持续被吸收，并延缓裂纹的萌生与扩展。此外，基体中的纳米析出相显著提高了强度。最终，在马氏体时效不锈钢中实现了高强度、高延展性与加工硬化能力的良好结合。新开发的马氏体时效不锈钢屈服强度为1790 ± 24 MPa，抗拉强度为2140 ± 32 MPa，均匀伸长率为9.5 ± 1.3%，总伸长率为16.4 ± 1.1%。利用RA内的纳米析出相来调控TRIP效应，为开发高性能马氏体时效不锈钢提供了一种新途径。

马氏体时效不锈钢（MSSs）已广泛应用于要求苛刻的海洋和航空航天领域。含有纳米析出相和逆转变奥氏体（RA）的马氏体时效不锈钢是一类独特的结构材料，兼具超高强度与良好的延展性。马氏体时效不锈钢的强度主要源于析出强化，而延展性则主要来自于逆转变奥氏体的相变诱导塑性（TRIP）效应。为获得高强度的马氏体时效钢，常采用诸如共沉淀纳米析出相、使析出相具有最小晶格错配和高数量密度、核壳纳米析出相或多种纳米析出相共存等策略来提高马氏体时效钢的强度。上述策略可通过成分优化来实现。例如，焦等人通过调整镍（Ni）和铝（Al）的含量来控制铜（Cu）/镍铝（NiAl）的共沉淀。这使得纳米析出相的尺寸从大于10纳米减小至1 - 5纳米的超细尺寸，显著提高了强度。江等人提高了铝含量，以获得具有高数量密度和最小晶格错配的镍铝相，从而激活更多滑移，增强了有序强化作用。李等人调节钴（Co）的成分以形成核壳结构的Ni₃Ti - Fe₁₀Mn纳米析出相，促进位错增殖。田等人调整钴含量以促进α′ - Cr的析出。采用Ni₃Ti、富钼相和α′ - Cr多相强化策略显著提高了马氏体时效不锈钢的强度。这些纳米析出相不仅在马氏体基体中析出，还在高/低角度晶界（原奥氏体晶界或马氏体板条界）处析出。在塑性变形过程中，这些位置容易发生位错堆积，导致马氏体时效不锈钢过早断裂。牛等人通过增加钼含量抑制纳米析出相在晶界处的析出，提高了高强度马氏体时效不锈钢的延展性。尽管通过调整成分控制纳米析出相可提高强度和延展性，但提高马氏体时效不锈钢的加工硬化能力仍然具有挑战性。    

引入逆转变奥氏体是通过相变诱导塑性（TRIP）或孪晶诱导塑性（TWIP）效应提高延展性和加工硬化能力的最重要手段之一。然而，即使在超高强度的马氏体时效不锈钢中存在逆转变奥氏体，提高延展性和加工硬化能力仍然是一个重大挑战。因为逆转变奥氏体的低稳定性会导致其因从面心立方（FCC）向密排六方（HCP）或体心立方（BCC）转变而过早硬化。基体与逆转变奥氏体之间的界面开始失去强度，随后裂纹萌生、扩展，最终导致断裂。因此，如何调整逆转变奥氏体的稳定性并促进TRIP效应成为一个亟待解决的热点问题。

以往的研究探讨了奥氏体的尺寸、形态和成分对马氏体时效不锈钢TRIP效应的影响。索赫拉比等人报道称，小尺寸的逆转变奥氏体可增强TRIP效应。与块状逆转变奥氏体相比，薄膜状逆转变奥氏体因其较高的稳定性而提高了TRIP效应。成分对奥氏体稳定性的影响主要取决于堆垛层错能（SFE）。合金元素，如镍（Ni）和碳（C），可增加堆垛层错能并提高奥氏体稳定性，而钴（Co）和铬（Cr）则降低堆垛层错能并降低奥氏体稳定性。在堆垛层错能较低时，扩展位错形核所需的临界应力较低，导致面心立方结构的屈服强度较低。相反，在堆垛层错能较高时，扩展位错受到抑制。如果将堆垛层错能控制在合理范围内，可触发多种变形机制，展现出优异的力学性能。刘等人在时效过程中利用高密度纳米析出相的沉淀来控制面心立方高熵合金（FCC HEA）的堆垛层错能。结合分子动力学（MD）模拟发现，这些纳米析出相可为层错的形核和扩展提供更多的位置和空间。在变形过程中，纳米析出相促进了层错网络的形成，增强了高熵合金的加工硬化能力。此外，层错的动态形成和细化通过减小平均自由程阻碍位错运动，从而提高加工硬化能力。程等人利用碳化物的析出改善了由较低堆垛层错能和更细尺寸纳米孪晶组成的基体微观结构。在塑性变形过程中，碳化物阻碍了孪晶的扩展，延缓了面心立方结构的转变，显著提高了钢的延展性和加工硬化能力。朱等人通过使用纳米尺寸的富铜相抑制层错扩展，增加了含层错纳米析出相的强应力场，从而提高了17Mn钢的力学性能。这些方法在提高TRIP效应以增强加工硬化能力方面显示出巨大潜力。然而，会有轻微的强度损失。如何在不损失强度的情况下更好地调节TRIP效应已成为一个关键问题。    

为开发一种兼具高强度、高延展性和加工硬化能力的马氏体时效不锈钢的新策略，哈尔滨工程大学的李军鹏团队研究旨在设计一种具有相对稳定且可持续应变硬化的逆转变奥氏体。实现这一条件的关键是使奥氏体具有较低的堆垛层错能，以确保大量由层错诱导的变形。此外，层错诱导的变形应具有可持续性，即该过程中应存在阻碍因素以延缓其快速转变。基于上述考虑，本研究适当调整了铬（Cr）、钴（Co）、钼（Mo）、镍（Ni）和锰（Mn）的含量，以便在马氏体中引入含有低堆垛层错能纳米析出相的逆转变奥氏体。铬、钴和钼不仅是提高马氏体时效不锈钢强度的有效元素，也是降低堆垛层错能的理想元素。镍和锰则用于调整逆转变奥氏体中的纳米析出相和堆垛层错能。    

在本研究中，通过在逆转变奥氏体中引入纳米析出相，有效地调节了TRIP效应，从而提高了加工硬化能力。利用X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、三维原子探针断层扫描（3D - APT）和电子背散射衍射（EBSD）对有纳米析出相修饰和无纳米析出相修饰的逆转变奥氏体（分别记为RADP和RANDP）进行了研究。深入探讨了这两种逆转变奥氏体的变形机制。RADP有效地提高了马氏体时效不锈钢的延展性和加工硬化能力，实现了强度和延展性的协同提高。研制出的马氏体时效不锈钢屈服强度为1790 MPa，抗拉强度为2140 MPa，总伸长率为16.4%。设计由纳米析出相修饰的逆转变奥氏体以调节TRIP效应是提高马氏体时效不锈钢力学性能和加工硬化能力的一种可行方法。

相关研究成果以“Enhancing work hardening through tuning TRIP by nano-precipitates in maraging stainless steels”发表在International Journal of Plasticity上  

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0749641925000269    

图2. 基体微观结构的表征。通过电子背散射衍射（EBSD）获得的取向映射图、等效有效晶粒尺寸分布以及相分布图，

其中（a）、（d）和（g）为固溶处理（ST）的马氏体时效不锈钢（MSS），（b）、（e）和（h）为在200℃时效处理（SA200）的MSS，（c）、（f）和（i）为在300℃时效处理（SA300）的MSS。RD、ND和TD分别表示轧制方向、法向和横向。    

表1. 根据原子探针断层扫描（APT）和透射电子显微镜（TEM）结果得出的SA200和SA300马氏体时效不锈钢（MSSs）中纳米析出相的等效半径、数量密度和体积分数。

图6. 基于图5中透射电子显微镜（TEM）图像得到的SA200马氏体时效不锈钢（a）和SA300马氏体时效不锈钢（b）的能谱（EDX）元素分布映射图。

表2. 由图6中能谱（EDX）映射测得的I - VI区域的元素成分（原子百分比）。

图8. (a) SA300马氏体时效不锈钢中逆转变奥氏体（RA）内 η 析出相和富钼相的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像。

(a1) η - Ni₃Ti 和 (a2) 富钼析出相的快速傅里叶变换（FFT）图谱，取自图5c中白色虚线框在(a)图中的位置。(a3) 与(a)图对应的元素分布图。    

图10. （a）SA200和（b）SA300马氏体时效不锈钢在不同应变下的X射线衍射图谱。

图11. 应变为6%时RADP（有纳米析出相修饰的逆转变奥氏体）的透射电子显微镜（TEM）图像。    

(a) 明场TEM图像。(b) (a)图中黄色虚线框区域的放大图。(b1) (b)图中镍（Ni）和钼（Mo）对应的能谱（EDX）元素分布图。(c) 富钼相、(d) Ni₃Ti相以及(b1)图中白色虚线框内逆转变奥氏体（RA）中层错（SFs）相互作用的高分辨TEM图像。蓝色箭头表示层错。(c1) 应变为6%时RADP中富钼相和(c2) 层错的快速傅里叶变换（FFT）图像。(c3) 层错示意图。(d1) 应变为6%时RADP中的层错以及(d2) Ni₃(Ti, Mo)的FFT图像。

表3. 固溶强化常数（加林多 - 纳瓦等人，2016年）

图12. （a）SA200和（b）SA300马氏体时效不锈钢中纳米析出相与位错的相互作用。红色箭头表示绕过，绿色箭头表示切过。    

图13. 固溶处理（ST）、200℃时效处理（SA200）及300℃时效处理（SA300）的马氏体时效不锈钢（MSSs）中，各类强化机制的贡献。

图14. 室温下屈服后，束流方向为<111>的轧制与动态再结晶后直接时效处理（RADP）的微合金钢（MSS）的位错分析，其中（a）g =02，（b）g = 220，（c）g =0，以及解离位错的弱束暗场（WBDF）图像（d）。室温下屈服后，束流方向为<111>的轧制与退火后直接时效处理（RANDP）的微合金钢（MSS）的位错分析，其中（e）g =02，（f）g = 220，（g）g =0，以及解离位错的弱束暗场（WBDF）图像（h）。（i）部分位错的解离宽度与位错线和总柏氏矢量之间夹角的函数关系。A、B、C和D表示双束条件下的部分位错 。

图15. 分子动力学（MD）模拟结果：

(a) 有纳米析出相修饰的逆转变奥氏体（RADP）的相结构图像。

(b)、(c) 和 (d) RADP马氏体时效不锈钢（MSS）模型在不同应变下的平均应力。MD模拟结果还包括：(e) 无纳米析出相修饰的逆转变奥氏体（RANDP）的相结构图像。    

图16. 分子动力学（MD）模拟有纳米析出相修饰的逆转变奥氏体（RADP）从面心立方（FCC）到体心立方（BCC）转变，应变分别为 (a) 4%、(b) 8% 和 (c) 12% 时的情况。MD模拟无纳米析出相修饰的逆转变奥氏体（RANDP）从FCC到BCC转变，应变分别为 (d) 4%、(e) 8% 和 (f) 12% 时的情况。对RADP模拟中区域II，纳米析出相与层错（SFs）或BCC相互作用进行局部放大，应变分别为 (g) 4%、(h) 8% 和 (i) 12% 时的情况。黑色箭头表示纳米析出相对层错或BCC的阻碍。模拟盒子尺寸：400×400×100 埃，应变率：2×10⁵ s⁻¹。    

图17. （a）有纳米析出相修饰的逆转变奥氏体（RADP）和（b）无纳米析出相修饰的逆转变奥氏体（RANDP）的变形机制示意图。    

图C1. 分子动力学（MD）模拟：(a) 有纳米析出相修饰的逆转变奥氏体（RADP） 以及 (a1) 无纳米析出相修饰的逆转变奥氏体（RANDP）在应变速率为2×10² s⁻¹ 时，应变分别为4%、8% 和12% 情况下从面心立方（FCC）到体心立方（BCC）的转变。MD模拟：(b) RADP 以及 (b1) RANDP在应变速率为2×10⁸ s⁻¹ 时，应变分别为4%、8% 和12% 情况下从FCC到BCC的转变。模拟盒子尺寸：400 埃×400 埃×100 埃。    

图C2. 分子动力学（MD）模拟：(a) 含纳米析出相修饰的逆转变奥氏体（RADP）以及(a1) 无纳米析出相修饰的逆转变奥氏体（RANDP）在应变速率为2×10² s⁻¹ 时，应变分别为4%、8%和12% 条件下从面心立方（FCC）到体心立方（BCC）的转变。(b) RADP以及(b1) RANDP在应变速率为2×10⁵ s⁻¹ 时，应变分别为4%、8%和12% 条件下从FCC到BCC的转变。(c) RADP以及(c1) RANDP在应变速率为2×10⁸ s⁻¹ 时，应变分别为4%、8%和12% 条件下从FCC到BCC的转变。模拟盒子尺寸：400 埃×400 埃×300 埃。    

在本研究中，有纳米析出相修饰的逆转变奥氏体（RADP）有效地提升了相变诱导塑性（TRIP）效应，进而使马氏体时效不锈钢（MSSs）的强度和延展性得到协同提升。研究对RADP和无纳米析出相修饰的逆转变奥氏体（RANDP）的变形机制展开了探讨，得出以下结论：

1. 在480°C时效处理时，当保温时间延长至300小时，固溶处理（ST）、200℃时效处理（SA200）和300℃时效处理（SA300）的马氏体时效不锈钢基体未发生明显变化。它们均由板条马氏体构成，有效晶粒尺寸相近。SA200和SA300马氏体时效不锈钢的马氏体基体中存在三种不同结构的纳米析出相，即η - Ni₃Ti、富Mo相和α′ - Cr析出相。SA200和SA300中η - Ni₃Ti的尺寸和数量密度相近，富Mo相和α′ - Cr析出相在这两种钢中也呈现出相似的特征。

2. 与固溶处理的马氏体时效不锈钢相比，SA200和SA300马氏体时效不锈钢中的逆转变奥氏体（RA）在基体中均匀分布。两种钢中RA的尺寸和体积分数相近。SA200马氏体时效不锈钢中的RA没有纳米析出相修饰，而SA300马氏体时效不锈钢中的RA有纳米析出相修饰，这些析出相为Ni₃(Ti, Mo)和富Mo相。RADP中纳米析出相的析出消耗了RA中的溶质原子，导致其成分与RANDP不同，这使得RADP的固有层错能低于RANDP。    

3. SA200马氏体时效不锈钢的RANDP表现出1780 ± 34 MPa的屈服强度（YS）、1960 ± 42 MPa的抗拉强度（TS）以及14.5 ± 1.4%的总伸长率（TE）。SA300马氏体时效不锈钢的RADP屈服强度为1790 ± 24 MPa，抗拉强度达到2140 ± 32 MPa，总伸长率为16.4 ± 1.1%。SA300马氏体时效不锈钢的加工硬化速率显著高于SA200马氏体时效不锈钢。SA200和SA300马氏体时效不锈钢时效处理后屈服强度的提升，主要得益于基体中的η - Ni₃Ti、富Mo相和α′ - Cr析出相。

4. 与RANDP相比，RADP因其固有层错能较低，在初始变形阶段易发生TRIP效应，这能有效吸收应力并降低应力集中。在进一步变形过程中，RADP中的纳米析出相可以阻止1/6<112>肖克利不全位错的移动，进一步延缓面心立方（FCC）向体心立方（BCC）的转变，从而提高RA的稳定性。这使得RADP在变形过程中能提供持续稳定的TRIP效应，这很可能是SA300马氏体时效不锈钢具有高加工硬化能力和延展性的主要原因。