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易红亮,赵明辉,王睿婷,马彦琦.1 800 MPa级以上高强钢的研究现状[J].东北大学学报(自然科学版),2025,46(8):77-92.
(Yi Hong-liang, Zhao Ming-hui, Wang Rui-ting, Ma Yan-qi. Current status of research on high-strength steel above 1 800 MPa grade[J]. Journal of Northeastern University (Natural Science), 2025, 46(8):77-92.)
DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20250006
研究背景
现代工业对结构材料的性能要求不断升级，既需材料具备高强度、高韧性、高承载力等核心力学性能，又要兼顾轻量化、成本效益等附加需求，高强钢因能在减重的同时保持高承载能力，广泛应用于交通制造、工程机械、大型工程建设、石油管线、建筑结构、航空航天等多个关键领域，成为支撑工业发展的核心材料[1-3]；根据强度特性，屈服强度超过1 380 MPa[4]或抗拉强度超过1 470 MPa[5]的合金钢被归类为超高强度钢，文章聚焦于抗拉强度 1 800 MPa 级以上的超高强钢，依据成分体系与强化机制将其分为低合金马氏体钢、淬火-配分（Q&P）马氏体钢、马氏体时效钢3类，其中低合金马氏体钢自 20 世纪初发展，通过合金化与工艺优化实现高强韧，需解决 “高强度与低韧性” 矛盾及民用领域低成本需求，淬火-配分（Q&P）马氏体钢 2003 年被提出核心概念，依赖富碳奥氏体相变提升强塑性，但面临工业化生产中工艺精确调控等问题，马氏体时效钢 于20 世纪 60 年代由国际镍公司开发，依赖时效析出金属间化合物强化，碳含量极低且焊接性能优异，早期含钴钢成本高、部分钢种延展性不足，需优化高温稳定性与抗蠕变性能。系统总结这3类钢种的研究进展，明确其强化机制与成分-工艺-性能之间的关联，可为后续突破性能极限、推动工业化应用提供理论与实践基础，契合钢铁工业绿色化转型及高端装备制造的发展需求。
文章亮点
低合金马氏体钢以奥氏体向马氏体的无扩散切变型相变为核心机理，抗拉强度普遍超 1 800 MPa、部分突破2 400 MPa，成分上合金总占比≤5%、含碳量 0.2%~0.5%，通过精准配比与微合金化实现低成本[6-7]，工艺上经淬火-回火或热冲压技术优化强韧性，涵盖工程机械与汽车热冲压用钢种，应用从军事装备延伸至民用领域，国产化水平高且已规模化应用，展现出优异的强韧性与成本效益。
淬火-配分钢通过多尺度组织调控突破强度与塑性的倒置关系，在3大成分体系下获得了关键工艺突破。首先，在高碳低合金Q&P钢方面，通过提高碳含量（>0.4%）并结合淬火-闪配分工艺[8]，有效抑制马氏体自回火碳化物的析出，利用固溶强化将抗拉强度提升至1 900 MPa。其次，在淬火-配分-回火钢方面[9]，创新性引入回火步骤与微合金化（Nb,V等）沉淀硬化机制，成功在1 800 MPa强度下获得了28%的超高延伸率。最后，在中锰Q&P钢方面，工艺创新最为丰富：开发了分离淬火与配分的split-Q&P工艺[10]以适应工业生产；结合汽车烤漆的烘烤-配分工艺利用薄膜奥氏体保证了塑性[11]；变形-配分工艺与拓扑有序结构设计则通过高密度位错及多尺度组织调控[12]，将强度推向2 200 MPa的极限，实现了强塑性的极致匹配。
马氏体时效钢作为依靠金属间化合物析出强化的典型超高强钢，其研发重点已由早期的18Ni系列向无钴化、低成本化及功能化方向演进，以解决钴资源限制及传统材料在强韧性匹配上的瓶颈。当前研究主要通过晶格匹配度调控与纳米共析出策略实现性能跃升：通过引入Al元素形成与基体极低错配度的Ni(Al,Fe)等B2相[13]，显著降低形核势垒与弹性应力场，成功在2 200 MPa超高强度下获得了优异塑性与抗蠕变性能；利用Cu与NiAl粒子的协同共析出效应，不仅大幅降低了成本，还实现了1 900 MPa强度与10%延伸率的良好平衡[14]。在应用层面，结合增材制造技术解决了传统构件的各向异性难题，而基于Cu-NiAl体系开发的高导热模具钢摒弃了传统碳化物强化路径，实现了高导热性（>35 W/(m·K)）与高强韧性的统一，满足了一体化压铸等高端制造的需求[15-16]。
图文解析
图1为2 000 MPa级纳米析出韧化热冲压钢34MnB5V的微观组织与力学性能。与传统的22MnB5钢相比，34MnB5V表现出更优异的综合性能：其抗拉强度达到1 971 MPa，屈服强度为1 558 MPa，总延伸率为8.3%；在三点弯曲实验中，该钢种在最大载荷下的弯曲角度达到64°，显著高于对比材料，显示出更高的韧性。微观结构分析表明，淬火后的组织为均匀的板条马氏体，且在马氏体板条内弥散分布着大量尺寸为5~20 nm的纳米级VC析出物。这种通过V微合金化引入的纳米析出强化机制，在显著提升材料强度的同时，有效降低了马氏体基体的碳含量，从而改善了韧性。
图1 2 000 MPa级纳米析出韧化热冲压钢的微观组织和力学性能[8]
（a）—22MnB5和35MnB5V的工程应力-应变曲线；（b）—22MnB5和35MnB5V的三点弯曲载荷-角度曲线；（c）—35MnB5V板条马氏体透射电镜图像；（d）—35MnB5V纳米碳化物析出
图2为Speer等提出的常规淬火-配分(Q&P)热处理工艺流程及其微观组织演变机制。该工艺首先将钢加热至完全奥氏体化温度，随后淬火至马氏体转变开始温度与终了温度之间的某一特定温度(QT)。在此阶段，组织由初生马氏体和未转变的奥氏体组成。紧接着进行配分处理，即在QT温度或略高温度下保温，使过饱和碳原子从马氏体扩散并富集到残余奥氏体中，从而提高奥氏体的热稳定性。最终冷却至室温时，获得由马氏体基体和富碳残余奥氏体组成的复相组织。这种工艺设计旨在通过TRIP效应提升材料的强塑性积，为先进高强钢研发奠定了理论基础。
图2 Q&P钢热处理工艺路线图[17]
图3为针对中锰钢优化的split-Q&P热处理工艺路线图。不同于常规Q&P工艺对淬火温度(QT)的苛刻控制，该工艺基于中锰钢马氏体转变终了温度低于室温的特性，将材料直接淬火至室温，随后再进行独立的配分处理。淬火至室温后组织中仍保留一定比例的奥氏体，且马氏体含碳量因未在高温停留而较高。这一设计不仅降低了工业控制难度，还通过提高马氏体强度，实现了工艺稳定性与力学性能的双重优化。
图3 中锰Q&P钢热处理工艺路线图[18]
图4为中锰钢在低温回火新策略下的微观组织特征、相变动力学及力学性能。图4(a)为典型的板条马氏体与残余奥氏体组织。图4(b)对比了温淬火(W-Q)与深冷处理(L-Q)及其后续300℃回火(T&P300)过程中的变化，揭示了回火过程中碳的配分伴随界面迁移，导致奥氏体体积分数显著增加且含碳量提升的现象。图4(c)的应力-应变曲线表明，W-QT&P300试样因含有稳定性适中的残余奥氏体，在变形中通过逐步转变为马氏体及晶界滑动，获得了1 800 MPa抗拉强度与16%延伸率的优异匹配；而L-QT&P300试样因奥氏体过于稳定，虽强度高但延伸率较差。
图4 中锰钢低温回火材料微观组织及力学性能[19]
(a)—淬火后板条马氏体与残余奥氏体组织；(b)—残余奥氏体的体积分数以及W-QT&P300和L-QT&P300过程不同阶段奥氏体中的碳含量；(c)—拉伸工程应力-应变曲线
图5为结合汽车烤漆工艺的烘烤-配分(B-P)钢的精细微观组织及力学性能。图5(a)的光学显微形貌显示，通过高Mn含量及V元素添加，材料获得了极细的微米级原奥氏体晶粒。图5(b)的透射电镜暗场像进一步揭示了其核心强化机制。组织由马氏体与厚度仅约5 nm的薄膜状残余奥氏体组成，并分布着纳米级碳化钒(VC)析出相。这种设计适应了170℃烤漆工艺下碳扩散距离短（约2.7 nm）的特点。图(c)表明，凭借晶粒细化、VC钉扎作用以及高稳定性薄膜奥氏体的TRIP效应，该钢种成功实现了1 800 MPa级强度与16%延伸率的良好结合 。
图5 B-P钢微观组织及力学性能[11]
(a)—晶界刻蚀得到原始奥氏体晶粒大小的光学显微镜图像；(b)—透射电镜暗场图像显示了B-P钢中厚度约为5 nm的薄膜状残余奥氏体和面心立方结构VC析出；(c)—拉伸工程应力-应变曲线
图6为变形-配分(D&P)工艺制备的中锰钢微观组织结构及其优越的力学性能。图6(a)的3D EBSD图像清晰呈现了该工艺形成的独特组织：具有高位错密度的亚稳奥氏体-马氏体异质片层双相结构。图6(b)示意图解释了其强塑性机制：高密度位错不仅大幅提升了材料强度，且马氏体中的可动位错滑移增强了塑性；同时，奥氏体中的高位错密度延缓了相变，实现了TRIP效应的持续释放。图6(c)的工程应力-应变曲线显示，经过温轧、临界区退火、冷轧及400 ℃回火配分后，材料沿不同方向均实现了超过2 000 MPa的抗拉强度和22.5%的超高延伸率。
图6 D&P钢微观组织及力学性能[20]
(a)—高位错密度的亚稳奥氏体-马氏体异质片层双相组织的3D EBSD图；(b)—组织结构特征及试样相对方向示意图；(c)—拉伸作用下沿RD和TD方向变形的工程应力-应变曲线
图7为具有分级微观结构的2GPa级高韧性钢的拓扑学有序组织及力学性能。图7(a)-(d)通过不同尺度表征了锻造结合深冷回火后形成的特殊组织：两种排列角度的拓扑学有序层状马氏体，以及分布于其中的多尺度亚稳奥氏体（块状与薄膜状）。这种多尺度设计使得块状奥氏体在变形初期转变，薄膜状奥氏体在高应变下转变，实现了渐进式的充分TRIP效应。同时，马氏体的拓扑有序结构诱发了界面位错滑移。图7(e)证实，这种综合增塑机制使材料在突破2 200 MPa超高强度的同时，仍保持了惊人的25%延伸率，为超高强钢的结构设计提供了新思路。
图7 具有分级微观结构的2GPa韧性钢微观组织及力学性能[12]
(a)-(d)—两种排列角度的拓扑学有序层状马氏体和多尺度亚稳奥氏体组织；(e)—工程应力-应变曲线
图8为通过晶格匹配度调控实现的Ni(Al,Fe) B2相析出强化钢的性能跃升。图8(a)的工程应力-应变曲线显示，该钢在固溶退火态的屈服强度约为1.1 GPa，而经过时效处理后，屈服强度激增至2.2 GPa，同时保持了约8%的良好延伸率。图8(b)的高分辨率HAADF-STEM图像揭示了其超高强度的微观机理：析出的Ni(Al,Fe)B2相与BCC马氏体基体之间保持着极高的共格关系（CoherentInterface）。这种几乎为零的晶格错配度不仅大幅降低了形核势垒，促进了高密度、超细纳米沉淀的形成，还显著减少了析出相周围的弹性应力场，从而有效避免了高强度下的脆性断裂，同时提升了抗蠕变性能。
图8 Ni(Al,Fe) B2相析出强化钢的力学性能和析出相与基体间的共格界面[13]
(a)—工程应力-应变曲线；(b)—Ni(Al,Fe) B2相与基体的共格关系.
图9重点展示了利用纳米共析出（Co-precipitation）策略开发的低成本马氏体时效钢的微观结构与性能。图9(a)表明，该钢种的极限抗拉强度可达1 900 MPa，同时具备10%的断裂伸长率和40%的断面收缩率，实现了优异的强韧匹配。图9(b)的三维原子探针（APT）重构图清晰地展示了Cu与NiAl粒子的协同效应：Cu粒子作为异质形核核心，诱导NiAl相在其表面析出，形成了以Cu为核心、NiAl为外壳的复合纳米颗粒分布。图9(c)进一步展示了碳化物的分布情况。这种多尺度、多组元的析出结构在大幅降低合金元素含量（特别是昂贵的钴）的同时，通过协同强化机制保证了材料的高性能。
图9 Cu-NiAl复合析出强化钢的力学性能与不同析出的表征[14]
(a)—应力应变曲线及拉伸断口形貌；(b)—Cu-NiAl共析出的分布；(c)—碳化物分布.
图10对比了新型Cu-NiAl系高导热模具钢与传统碳化物强化模具钢的性能差异。图10(a)展示了该模具钢中细小弥散的NiAl析出相形貌。图10(b)的导热系数对比显示，新型HTC系列模具钢的导热系数超过了35 W/(m·K)，显著高于传统回火马氏体钢（CS1）。这是因为金属间化合物析出相相比于碳化物，对基体电子散射的阻碍作用更小，从而大幅提升了热传导效率。图10(c)的力学性能统计表明，Cu-NiAl系高导热模具钢在保持高硬度（>490 HV）的同时，冲击功保持在250 J以上，远超传统钢材。这种高导热、高强韧的特性使其成为一体化压铸等先进制造工艺的理想模具材料。
图10 Cu-NiAl系高导热模具钢与由碳化物析出和回火马氏体模具钢的导热性能和力学性能比较[15-16]
(a)—TEM观察的组织形貌；(b)—导热系数对比；(c)—冲击韧性与维氏硬度值.
结语
低合金马氏体钢、淬火-配分（Q&P）钢和马氏体时效钢作为先进高强钢的3大体系，在材料科学领域取得了重要突破，但仍面临各自的技术挑战和发展机遇：
低合金马氏体钢通过微合金化设计和工艺优化，在汽车热冲压、刀具等领域获得广泛应用。未来研究的核心在于解决"高强度-低韧性"矛盾，重点开发抑制脆性孪晶马氏体形成的新方法，通过精准调控合金元素配比和热处理工艺，实现更优的强韧性匹配。
淬火-配分（Q&P）钢凭借独特的TRIP效应和优异的强塑积，Q&P钢已成为汽车轻量化的理想材料。后续研究需要攻克工业化生产中的工艺控制难题，特别是淬火-配分温度的精确调控，以确保残余奥氏体含量和稳定性的批次一致性，同时降低生产成本。
马氏体时效钢作为超高强度钢的代表，在航空航天领域展现出独特优势。未来发展需聚焦3个方向：优化纳米析出相的尺寸分布和界面特性；提升材料的高温稳定性和抗蠕变性能；探索新型析出强化机制，进一步突破现有强度-韧性极限。
这些先进高强钢体系的研究已实现从经验驱动向多尺度设计的范式转变。通过计算材料学、先进表征技术与工艺创新的深度融合，不仅推动了材料性能的持续突破，更促进了钢铁工业的绿色化转型。未来，整合3大体系的优势特性，开发多相复合强化新机制，将成为超高强钢发展的主要方向，为高端装备制造提供更优异的材料解决方案。
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作者简介
易红亮，教授，博士生导师。主要从事高强韧汽车钢基础理论、应用技术研究和产业化推广。以第一或通讯作者发表SCI论文58篇，包括金属材料领域顶级期刊Scripta Mater 10篇；担任金属材料英国期刊Materials Science and Technology编委和汽车轻量化技术创新战略联盟专家委员会委员；以第一发明人申请中国发明专利41项（已授权30件），通过PCT途径申请国外同族专利62项（已授权41件）；牵头或参与制定中国汽车工程学会团体标准3项；主持国家自然科学基金优秀青年科学基金、钢铁联合基金重点项目等纵向课题8项，主持与韩国POSCO、华为、鞍钢、本钢、唐钢、承钢、马钢、东风实业、通用汽车、大众汽车、奇瑞汽车等多家企业的合作项目22项；入选2018年苏州工业园区“科技领军人才”、2019年“兴辽英才”青年拔尖人才、2019年辽宁省第十三批“百千万人才工程”百人层次、2020年苏州市“姑苏创新创业领军人才”和2020年江苏省高层次创新创业人才引进计划“双创人才”，牵头获2023年中国汽车工程学会“技术发明奖”一等奖和2020年冶金科学技术奖一等奖。
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