一、研究的问题与背景
商用五大类不锈钢，包括奥氏体、双相(奥氏体+铁素体)、铁素体、马氏体、沉淀硬化不锈钢，存在难以克服的、强塑性不可兼得的技术瓶颈。比如，奥氏体不锈钢的延伸率可高达60%，但其屈服强度一般低于500 MPa。沉淀硬化不锈钢的屈服强度可在1000 MPa之上，但其延伸率一般低于10%。传统产业领域如建筑、交通、化工、石油、天然气产业等以及新兴产业领域如海洋工程、国防、航空航天、低空经济等的发展，迫切需求开发新型的、高强高塑、耐腐蚀等特性的新型不锈钢产品。
此外，国内新能源汽车的快速发展，亦迫切需求开发轻量化、长久耐腐蚀的新型钢材。2025年，我国新能源汽车年产量为1652.4万辆，同比增长25.1%。有研究表明，新能源汽车整车质量降低10%，对应续驶里程可增加5%-10%，节约15%-20%的电池成本以及20%的日常损耗成本。汽车轻量化的关键在于选用强度更高的钢材。
随着全球环保意识的增强，降低汽车全生命周期的碳排放以及使用成本成为汽车发展的重要方向。美国特斯拉提出的新能源汽车设计寿命目标为：整车设计寿命100万英里（160万公里），车身结构30年以上抗腐蚀。普通的碳钢高强钢或低合金高强钢在通过电泳涂装后，寿命仅为5-10年。此外，镀锌钢板在运输或加工中易出现划伤、锌瘤、漏镀等缺陷，导致局部防腐失效；由于锌层在419℃熔融失效，不适合高温环境中的应用；生产过程中需处理含锌废水及酸碱废气；回收中的锌挥发具有污染风险。鉴于不锈钢具有极强的耐腐蚀性、免涂装、极低的维护成本、腐蚀后强度不降低、可100%循环回收使用等优势，在新能源汽车上使用长寿命、低VOC排放、低维护成本、更安全的高强不锈钢替代镀锌钢是大势所趋。
国内宝钢等在低成本高强不锈钢研究开发方面走在了行业前列，开发出客车车身用低成本节镍型高强亚稳态奥氏体不锈钢，屈服强度和抗拉强度分别在350-700MPa和900-1200MPa范围内，延伸率在30%以上。国外各大主要钢铁企业如蒂森克虏伯、奥托昆普、浦项等亦争相研究开发汽车用高强不锈钢，并发布了屈服强度达400-1000MPa的产品。初步研究显示高强不锈钢有望成为下一代汽车尤其是新能源汽车用关键材料。
但是，传统的粗晶不锈钢晶粒尺寸较大，导致屈服强度偏低。提升不锈钢强度的主要方案是加工硬化，即通过冷加工（如冷轧）使晶体内位错大量增殖、缠结，阻碍后续位错运动。但是，冷加工累积的大量位错导致可动位错密度减少，且形变诱导马氏体导致较低的加工硬化能力，因而提升强度的同时一般会牺牲塑性。
二、解决问题的思路与方案
为克服传统不锈钢强塑性倒置的技术瓶颈难题，以及应对新能源汽车对轻量化、长寿命、高安全性、环境友善钢材的迫切需求，南通铠纳不锈钢科技有限公司联合燕山大学、太原理工大学、北材南通金属科技有限公司等单位开展“产学研用”合作，于近期成功开发出具有高屈服强度、高抗拉强度、高延伸率“三高”特征的纳米结构不锈钢。通过独特的热机械处理工艺参数设计，生产出多尺度、异构、纳米结构不锈钢(Nanostructured Stainless Steel, 简称NSS), 其微结构表征结果示于图1。NSS晶粒尺寸分布于0.7-22mm，平均晶粒尺寸1.9mm(图1a)。NSS由约2/3奥氏体和1/3马氏体组织构成(图1b)，且富含40-500nm宽度的马氏体板条，板条平均宽度255 nm (图1c)。基于ASTME112晶粒等级度定义标准，小于2.8mm的晶粒尺寸(G313)可归类为纳米晶，上述平均晶粒尺寸1.9mm的不锈钢故可定义为纳米晶不锈钢。基于学术界通识，小于100nm尺度的结构可归类为纳米结构，上述富含40-100nm宽度马氏体板条组织的不锈钢故可定义为纳米结构不锈钢。
图1 纳米结构不锈钢的SEM-EBSD及TEM-HAADF表征。
(a) EBSD-GB+IPF图显示晶粒尺寸分布于0.7-22 mm；(b) EBSD-GB+Ph图显示组织由奥氏体(红色) 和马氏体(绿色)组成；(c) DF-HAADF图显示40-100 nm宽的纳米尺度以及100-500 nm宽的超细尺度马氏体板条
三、主要创新性成果
纳米结构不锈钢的强塑化机理与冷加工不锈钢迥然不同，具体可概括为：
1、通过位错强化、纳米级板条强化、细晶强化、异构变形诱导（Hetero-Deformation Induced, HDI）强化四类效应大幅提升屈服强度。其中，HDI强化效应又可进一步细分为软奥氏体-硬马氏体相、软粗晶晶粒-硬细晶晶粒、软粗板条-硬细板条三种异构效应。
2、通过部分粗晶奥氏体晶粒中的位错大量堆积、相变诱导塑性(Transformation-Induced Plasticity, TRIP)提升加工硬化能力，进而提升抗拉强度。
3、通过部分粗晶奥氏体、TRIP效应、HDI效应提升加工硬化能力，进而提升（均匀）延伸率。上述纳米结构不锈钢中多种强塑化机理的协同作用，导致了高屈服强度、高抗拉强度、高延伸率的优异综合力学性能，打破了传统不锈钢材料中强塑性倒置的技术瓶颈。比如，201-NSS纳米结构不锈钢的屈服强度31000 MPa,，抗拉强度31400 Mpa，延伸率330%,，强强塑积342 GPa·%。图2显示，与传统的五大类不锈钢及铁基高温合金相比，纳米结构不锈钢的屈服强度可与沉淀硬化(PH)不锈钢相当，强塑积可与常规的奥氏体不锈钢相当。
图2 纳米结构不锈钢、商用不锈钢及铁基高温合金的强塑积与屈服强度的关系对比
表1列出了201-NSS以及国内外的三种典型高强不锈钢(BSH850、30X-A4、Forta H800)和DP1180双相钢的力学性能数据。与BSH850、30X-A4、Forta H800相比，201-NSS屈服强度高出约200-300MPa，抗拉强度高出约250-400MPa，断后延伸率相当或高出约10%，强塑积高出35%-69%。此外，与需要镀锌防腐的DP1180双相钢相比，NSS的屈服强度、抗拉强度更高，且NSS的延伸率及强塑积约为DP1180的400%。
表1 201-NSS纳米结构不锈钢以及国内外高强不锈钢和DP1180双相钢的力学性能
四、潜在应用领域与效果
鉴于纳米结构不锈钢具有高屈服强度、高抗拉强度、高延伸率的优点，可广泛应用于海洋工程、国防、航空航天、低空经济、建筑、交通、化工、石油、天然气、医疗器械、精密仪器与电子等领域，对强塑性不可兼得的传统不锈钢进行升级换代。传统的粗晶201不锈钢的屈服强度一般在500MPa之下，仅及201-NSS的50%，因而，以201-NSS替代传统201不锈钢，可在承载能力、抗疲劳、轻量化等方面产生显著的应用效果，如表2所示。
表2 纳米结构不锈钢的应用场景及其实施效果
与国内外的主流高强不锈钢以及DP、TRIP钢相比，纳米结构不锈钢NSS具有更高的强度、更好的成形性、更优异的碰撞吸能特性。可在新能源汽车上广泛应用，实现“更轻、更安全、更续航”的目标。表3列出了NSS在新能源汽车零部件上的应用场景及其效果。
表4列出了201-NSS与6061/6082-T6铝合金的性能。NSS比强度为179MPa·cm3/g，比铝合金的比强度(115-152MPa·cm3/g)高出18%-56%。在零部件遵循等强度设计原理的前提下，材料用量反比于强度。因而，NSS零部件可轻于铝合金。此外，NSS的屈服强度约为6061/6082-T6铝合金的3倍，可提供远超铝合金的抗塑性变形能力，大幅降低铝合金汽车零部件碰撞后的返修成本。NSS的强塑积约为铝合金的10倍，其能量吸收性能远胜于铝合金。因而，以钢代铝，可实现“降重、降本、提升安全性”的三重目标。
表3 纳米结构不锈钢在新能源汽车上的应用场景及其实施效果
表4 201-NSS纳米结构不锈钢与6061/6082-T6铝合金的性能对比
南通铠纳不锈钢科技有限公司现已建成一条年产5000吨NSS的示范生产线，一条年产10万吨的批量生产线，批量生产201、204、301、304、316等牌号的NSS产品，其形态为厚度0.5-2mm、宽度620-1250mm的薄板卷材。
信息来源：燕山大学亚稳材料全国重点实验室、南通铠纳不锈钢科技有限公司
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