北科大毛新平院士團隊：高密度晶內納米級B2顆粒大幅提升低密度鋼比強度和塑性

第一作者：耿笑笑

通訊作者：高軍恒，黃禹赫，汪水澤，趙海濤

通訊單位：北京科技大學

DOI: 10.1016/j.jmst.2024.12.013

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本研究通過簡單的固溶、冷軋和退火工藝，在Fe-26Mn-11Al-0.9C-5Ni低密度鋼中成功在完全再結晶的細奧氏體晶粒內引入高密度納米級B2顆粒。相較于傳統晶界析出強化低密度鋼，該材料實現了強度-塑性協同提升：屈服強度和抗拉強度分別由768MPa和1100MPa提高至954MPa和1337MPa，同時塑性由38%提升至50%。其高屈服強度主要源于晶內納米級B2顆粒強化與晶粒細化的協同強化效應；優異塑性和高的加工硬化能力則歸因于晶內納米級B2顆粒導致的強位錯儲存能力及動態滑移帶細化強化效應。

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研究背景

開發高強度、大塑性和低密度的鋼材對解決輕量化運輸、安全基礎設施和先進能源應用等領域輕量化和安全設計至關重要。Fe-Mn-Al-C-Ni低密度鋼具有較高比強度和較低密度，發展潛力巨大。與傳統鋼材相比，引入大量Al可減重高達17%。相關研究表明，汽車重量每降低10%，油耗可降低6%或續航提升14%。為提高比強度，需增加Al的含量，不可避免的增大B2相的體積分數。然而，由于B2金屬間化合物本質上的脆性，晶界處B2顆粒的比例和尺寸的增大會顯著惡化鋼的塑性。這種比強度和塑性的倒置關系限制了其在工程領域的廣泛應用。當前研究主要通過調控微觀結構以協同提升低密度鋼的比強度和塑性。例如，An等人通過優化退火工藝在Fe-28.3Mn-11.1Al-1.1C-4.5Ni低密度鋼中調控出部分再結晶奧氏體，分布在再結晶奧氏體晶界處的B2顆粒（約280 nm）以及未再結晶奧氏體晶粒內B2納米顆粒（約50 nm）。與僅具有分布在晶界處B2顆粒（約910 nm）的鋼相比，該鋼的比抗拉強度從182增加到257 MPa g cm-3，但塑性從38%降低到15%。Hwang等人對Fe-21Mn-10Al-1C-5Ni鋼進行退火和后續時效處理，借助κ碳化物析出將鋼的比抗拉強度從202增加到219 MPa g cm-3，但塑性從35%降低到30%。我們前期工作構建了具有雙峰晶粒尺寸分布的奧氏體、層狀B2帶、分布在晶界的B2顆粒以及未再結晶奧氏體晶粒內的納米級B2顆粒的多級異質結構，與具有粗大B2帶和分布在晶界的B2顆粒的鋼相比，該鋼的比屈服強度從162增加到201 MPa g cm-3，且沒有明顯的塑性損失（42%和39.3%）。此外，實現細小B2顆粒在再結晶奧氏體內的均勻析出被認為是突破強塑性倒置的最有效策略之一，但在高鋁鋼中仍極具挑戰。

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本文亮點

（1）通過簡單的固溶、冷軋和退火工藝，可以在低密度鋼完全再結晶奧氏體中引入大量納米級B2顆粒。

（2）含有大量晶內納米級B2顆粒的低密度鋼具有優異的強塑性以及持續較高的加工硬化率。

（3）高屈服強度是由于晶內納米級B2顆粒強化以及晶粒細化的協同強化效應。

（4）大塑性和高加工硬化能力歸因于晶內納米級B2顆粒導致的強位錯儲存能力及動態滑移帶細化強化效應。

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圖文解析

圖1 A15和A40的X射線衍射圖

圖2 A15和A40的EBSD分析。(a，b) A15的EBSD相圖、SEM圖，展示奧氏體和B2顆粒的形貌。（c） A15中奧氏體和B2顆粒的晶粒尺寸分布。(d，e) A40的EBSD相圖、SEM圖，展示奧氏體和B2顆粒的形貌。（f） A40中奧氏體和B2顆粒的晶粒尺寸分布。

圖3 A15中B2顆粒的TEM表征。（a）TEM明場像展示奧氏體晶粒內部B2顆粒的形貌及分布。插圖顯示了P2顆粒沿[111]B2帶軸的電子衍射斑。（b）圖3(a)中沿黃色箭頭所示方向的TEM-EDS線性剖面數據展示了B2顆粒中Al、Ni、Fe和Mn等元素的分布情況。

圖4 A15和A40的拉伸性能。（a）工程應力-應變曲線。（b）真應力-相應的加工硬化率和真應變曲線

圖5 不同拉伸應變下A15和A40中奧氏體和B2顆粒的KAM值演變。A15在2%應變下的奧氏體（a1）和B2相（a2）的KAM圖。A40在2%應變下的奧氏體（a3）和B2相（a4）的KAM圖。A15在7%應變下的奧氏體（b1）和B2相（b2）的KAM圖。A40在7%應變下的奧氏體（b3）和B2相（b4）的KAM圖。A15在30%應變下的奧氏體（c1）和B2相（c2）的KAM圖。A40在30%應變下的奧氏體（c3）和B2相（c4）的KAM圖。

圖6 不同拉伸應變下A15和A40的形變顯微組織分析。（a，b）應變2%時A15和A40的明場TEM圖像。（c，d）應變7%時A15和A40的明場TEM圖像。（e，f）應變30%時A15和A40的明場TEM圖像。紅色箭頭突出顯示了奧氏體/P2界面的位錯堆積，藍色箭頭突出顯示了奧氏體/P1界面的位錯堆積。

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

圖8 不同強化機制對A15和A40的貢獻及計算的屈服強度（Cal.σYS）

圖9 A15和A40中變形亞結構的演變示意圖。

圖10 A15與Fe-Mn-Al-C低密度鋼[2，8，51-60]、Fe-Mn-Al-C-X鋼（X分別為Ni[11，29-32]、Cr[55]、Cu[51，56]、Mo[61]和Nb[62，63]）、熱成形硼鋼[64]、Ti6Al4V[65-68]以及高強度鋁合金[69-71]的拉伸性能（SUTS-TE及SUTS-UTS?TE）的對比。

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總結與展望

本研究成功開發了一種Fe-26Mn-11Al-0.9C-5Ni低密度鋼，其組織特征為完全再結晶的奧氏體晶粒中均勻分布大量納米級B2顆粒。晶內納米級B2顆粒的形成機制可歸因于再結晶初期超細奧氏體晶粒具有很強的晶粒生長驅動力，促使晶界遷移越過初始分布在晶界的細小B2顆粒，從而使B2顆粒從晶界演變到晶內。隨退火時間延長至15 min，晶粒生長驅動力降低，同時超細B2顆粒的釘扎效應延緩了晶粒粗化，最終形成具有晶內超細B2顆粒的超細晶結構。與僅含晶間B2顆粒的鋼相比，該鋼具有更優異的強塑性及加工硬化能力。其高屈服強度源于細晶強化和晶內B2納米顆粒的第二相強化效應。晶內B2納米顆粒增強了位錯儲存能力，并通過動態滑移帶細化機制進一步提高加工硬化能力，從而獲得大塑性。此外，高密度的晶內納米級B2顆粒不僅能有效阻礙位錯運動，還能有助于協調鋼的整體塑性變形，維持持續較高的加工硬化能力。本研究結果表明，在完全再結晶低密度鋼中引入大量納米級B2顆粒，為實現高強度與大塑性協同提升的輕量化鋼材提供了一種有效的微觀結構設計策略。

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作者介紹

毛新平院士團隊主要從事先進鋼鐵材料的前沿設計方法、低碳制備關鍵技術、強韌化機理與產品研發和先進鋼鐵材料的服役性能評價與應用技術等方面的研究工作。近年來主持多項國家項目及企業合作項目，包括變革性低碳鋼鐵制造流程理論與技術（基金委重大項目）、多項十四五重點研發項目及校企合作項目，并與知名企業高校合作。與寶武、首鋼、漣鋼等鋼鐵企業合作，基于薄板坯連鑄連軋流程研制出系列白車身用鋼，其中1500MPa級熱成形、600-780MPa級雙相鋼和340-500MPa級低合金鋼已實現規模化應用；面向國家重大橋梁工程建設需求，研制出系列超高強、耐腐蝕橋梁鋼，在滬蘇通長江大橋、武漢漢江灣橋、中俄黑河大橋和澳門澳氹四橋上實現應用示范。

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引用本文

Xiaoxiao Geng, Junheng Gao, Yuhe Huang, Shuize Wang, Haitao Zhao, Honghui Wu, Chaolei Zhang, Xinping Mao, Copious intragranular B2 nanoprecipitation mediated high strength and large ductility in a fully recrystallized ultralight steel, J. Mater. Sci. Technol. 226 (2025) 76-85

本文來自“材料科學與技術JMST”。