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本研究通过简单的固溶、冷轧和退火工艺，在Fe-26Mn-11Al-0.9C-5Ni低密度钢中成功在完全再结晶的细奥氏体晶粒内引入高密度纳米级B2颗粒。相较于传统晶界析出强化低密度钢，该材料实现了强度-塑性协同提升：屈服强度和抗拉强度分别由768MPa和1100MPa提高至954MPa和1337MPa，同时塑性由38%提升至50%。其高屈服强度主要源于晶内纳米级B2颗粒强化与晶粒细化的协同强化效应；优异塑性和高的加工硬化能力则归因于晶内纳米级B2颗粒导致的强位错储存能力及动态滑移带细化强化效应。

研究背景

开发高强度、大塑性和低密度的钢材对解决轻量化运输、安全基础设施和先进能源应用等领域轻量化和安全设计至关重要。Fe-Mn-Al-C-Ni低密度钢具有较高比强度和较低密度，发展潜力巨大。与传统钢材相比，引入大量Al可减重高达17%。相关研究表明，汽车重量每降低10%，油耗可降低6%或续航提升14%。为提高比强度，需增加Al的含量，不可避免的增大B2相的体积分数。然而，由于B2金属间化合物本质上的脆性，晶界处B2颗粒的比例和尺寸的增大会显著恶化钢的塑性。这种比强度和塑性的倒置关系限制了其在工程领域的广泛应用。当前研究主要通过调控微观结构以协同提升低密度钢的比强度和塑性。例如，An等人通过优化退火工艺在Fe-28.3Mn-11.1Al-1.1C-4.5Ni低密度钢中调控出部分再结晶奥氏体，分布在再结晶奥氏体晶界处的B2颗粒（约280 nm）以及未再结晶奥氏体晶粒内B2纳米颗粒（约50 nm）。与仅具有分布在晶界处B2颗粒（约910 nm）的钢相比，该钢的比抗拉强度从182增加到257 MPa g cm^-3，但塑性从38%降低到15%。Hwang等人对Fe-21Mn-10Al-1C-5Ni钢进行退火和后续时效处理，借助κ碳化物析出将钢的比抗拉强度从202增加到219 MPa g cm^-3，但塑性从35%降低到30%。我们前期工作构建了具有双峰晶粒尺寸分布的奥氏体、层状B2带、分布在晶界的B2颗粒以及未再结晶奥氏体晶粒内的纳米级B2颗粒的多级异质结构，与具有粗大B2带和分布在晶界的B2颗粒的钢相比，该钢的比屈服强度从162增加到201 MPa g cm^-3，且没有明显的塑性损失（42%和39.3%）。此外，实现细小B2颗粒在再结晶奥氏体内的均匀析出被认为是突破强塑性倒置的最有效策略之一，但在高铝钢中仍极具挑战。

本文亮点

图文解析

图1 A15和A40的X射线衍射图

图2 A15和A40的EBSD分析。(a，b) A15的EBSD相图、SEM图，展示奥氏体和B2颗粒的形貌。（c） A15中奥氏体和B2颗粒的晶粒尺寸分布。(d，e) A40的EBSD相图、SEM图，展示奥氏体和B2颗粒的形貌。（f） A40中奥氏体和B2颗粒的晶粒尺寸分布。

图3 A15中B2颗粒的TEM表征。（a）TEM明场像展示奥氏体晶粒内部B2颗粒的形貌及分布。插图显示了P2颗粒沿[111]_B2带轴的电子衍射斑。（b）图3(a)中沿黄色箭头所示方向的TEM-EDS线性剖面数据展示了B2颗粒中Al、Ni、Fe和Mn等元素的分布情况。

图4 A15和A40的拉伸性能。（a）工程应力-应变曲线。（b）真应力-相应的加工硬化率和真应变曲线

图5 不同拉伸应变下A15和A40中奥氏体和B2颗粒的KAM值演变。A15在2%应变下的奥氏体（a1）和B2相（a2）的KAM图。A40在2%应变下的奥氏体（a3）和B2相（a4）的KAM图。A15在7%应变下的奥氏体（b1）和B2相（b2）的KAM图。A40在7%应变下的奥氏体（b3）和B2相（b4）的KAM图。A15在30%应变下的奥氏体（c1）和B2相（c2）的KAM图。A40在30%应变下的奥氏体（c3）和B2相（c4）的KAM图。

图6 不同拉伸应变下A15和A40的形变显微组织分析。（a，b）应变2%时A15和A40的明场TEM图像。（c，d）应变7%时A15和A40的明场TEM图像。（e，f）应变30%时A15和A40的明场TEM图像。红色箭头突出显示了奥氏体/P2界面的位错堆积，蓝色箭头突出显示了奥氏体/P1界面的位错堆积。

图7 A15在1050°C下退火1min（a）和3min（b）的EBSD相图。

图8 不同强化机制对A15和A40的贡献及计算的屈服强度（Cal.σ_YS）

图9 A15和A40中变形亚结构的演变示意图。

图10 A15与Fe-Mn-Al-C低密度钢[2，8，51-60]、Fe-Mn-Al-C-X钢（X分别为Ni[11，29-32]、Cr[55]、Cu[51，56]、Mo[61]和Nb[62，63]）、热成形硼钢[64]、Ti6Al4V[65-68]以及高强度铝合金[69-71]的拉伸性能（SUTS-TE及SUTS-UTS?TE）的对比。

总结与展望

本研究成功开发了一种Fe-26Mn-11Al-0.9C-5Ni低密度钢，其组织特征为完全再结晶的奥氏体晶粒中均匀分布大量纳米级B2颗粒。晶内纳米级B2颗粒的形成机制可归因于再结晶初期超细奥氏体晶粒具有很强的晶粒生长驱动力，促使晶界迁移越过初始分布在晶界的细小B2颗粒，从而使B2颗粒从晶界演变到晶内。随退火时间延长至15 min，晶粒生长驱动力降低，同时超细B2颗粒的钉扎效应延缓了晶粒粗化，最终形成具有晶内超细B2颗粒的超细晶结构。与仅含晶间B2颗粒的钢相比，该钢具有更优异的强塑性及加工硬化能力。其高屈服强度源于细晶强化和晶内B2纳米颗粒的第二相强化效应。晶内B2纳米颗粒增强了位错储存能力，并通过动态滑移带细化机制进一步提高加工硬化能力，从而获得大塑性。此外，高密度的晶内纳米级B2颗粒不仅能有效阻碍位错运动，还能有助于协调钢的整体塑性变形，维持持续较高的加工硬化能力。本研究结果表明，在完全再结晶低密度钢中引入大量纳米级B2颗粒，为实现高强度与大塑性协同提升的轻量化钢材提供了一种有效的微观结构设计策略。

作者介绍

毛新平院士团队主要从事先进钢铁材料的前沿设计方法、低碳制备关键技术、强韧化机理与产品研发和先进钢铁材料的服役性能评价与应用技术等方面的研究工作。近年来主持多项国家项目及企业合作项目，包括变革性低碳钢铁制造流程理论与技术（基金委重大项目）、多项十四五重点研发项目及校企合作项目，并与知名企业高校合作。与宝武、首钢、涟钢等钢铁企业合作，基于薄板坯连铸连轧流程研制出系列白车身用钢，其中1500MPa级热成形、600-780MPa级双相钢和340-500MPa级低合金钢已实现规模化应用；面向国家重大桥梁工程建设需求，研制出系列超高强、耐腐蚀桥梁钢，在沪苏通长江大桥、武汉汉江湾桥、中俄黑河大桥和澳门澳氹四桥上实现应用示范。

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