超高强韧钢在航空航天、高端装备制造、新能源、深海技术以及先进交通运输等国民经济和国家安全重大关键领域有着急迫的需求，发展超高强韧钢对我国国民经济可持续发展、节能减排有着重要意义。
1传统的马氏体时效钢强化机制
钢铁中的强者是马氏体钢，铁镍基马氏体钢作为一种典型的超高强韧钢，其通过在超低碳的位错马氏体基体上析出大量纳米级金属间化合物（Ni3Mo、Ni3Ti、Fe2Mo）来实现超过2GPa的超高强度，并使其成为在超高强度领域具有最佳综合服役性能的钢种之一。这种材料需要超高含量的合金元素，如高达5%-12%的Co和 Mo来促进主强化相Ni3Mo的析出。而Ti通过形成富Ti金属间化合物提供额外的强化效果。但是，这些昂贵元素尤其是Co的使用极大地限制了其广泛应用。因此，基于传统的18Ni马氏体时效钢，之后又开发了无Co马氏体时效钢。研究表明，Ni3Ti可作为一种替代的析出强化相，同时通过增加合金元素Mo、Ti含量可促进其析出进而实现高强度。但是Ti、Mo含量的增加不可避免地促进了其他大尺寸、不均匀化合物的析出，包括粗大Fe2（Mo，Ti）以及碳化物（TiC）等,这些都严重了降低材料的韧塑性。
2传统强化机制的局限性
现有的马氏体时效钢强化机制始终是基于大量半共格粒子产生的大的共格畸变和位错的交互作用。析出相和基体之间这种较大的机械性能差异虽能提供极高强度，但是也促使材料在加载过程中容易过早形成裂纹或者局部应变，这极大地限制了材料的韧塑性，同时影响材料服役的安全性和可靠性。另外，强化相和基体晶体结构上大的差异必然导致析出过程高的形核势垒。因此，传统方法通过增加成分上的过饱和度来促进更多的半共格粒子析出的方法，尤其是在一种高缺陷密度的基体上，其性能已经难以得到进一步提高，这成为超高强度合金发展的必然瓶颈。综合昂贵的合金元素、异常严格的加工制备控制，这些都严重限制该类超高强钢的应用，成为困扰高端钢铁工业发展的难题。
3基于低错配界面析出强化机制的新型马氏体时效钢
针对上述问题，北京科技大学新金属材料国家重点实验室创新超高强度钢的合金设计理念，提出了低错配界面的析出强化和高剪切应力的合金设计新思想，根据这一思想发展了超强韧的高密度有序Ni（Al，Fe）纳米颗粒强化高性能新型马氏体时效钢，其抗拉强度不低于2.2GPa，拉伸塑性不低于8%。新型超高强韧钢的强化，一方面通过“点阵错配度最小化”，极大降低了金属间化合物颗粒析出的形核势垒，促进更小尺寸（2-5nm）颗粒均匀弥散分布，显著提高了增强相颗粒的体积密度和热稳定性，同时低错配度共格界面结合小尺寸有效缓解了增强相颗粒周边微观弹性畸变，改善了材料宏观均匀塑性变形能力；另一
方面，引入“有序效应”作为主要强化机制，有效阻碍位错对增强相颗粒的切过作用，从而获得优异综合性能的新型马氏体时效钢。除此之外，新型超强韧马氏体时效钢通过采用Al元素代替传统马氏体时效钢中昂贵的合金元素，可添加传统马氏体时效钢所避免的C元素，实现了高端钢铁材料简化制备工艺和降低成本的目标，不但有力地推动该类材料的实际工程应用，同时为新型超高强度材料的发展打开了新的研究思路。《Nature》于2017年4月27日以研究快报的形式报道了这一研究进展。
与传统马氏体时效钢相比，新型马氏体时效钢通过简单的固溶和时效方法，其屈服强度提高了1100MPa（图1），同时材料并无明显的塑性下降，这与传统马氏体时效钢时效后塑性的急剧下降形成鲜明对比。更加令人振奋的是，该类材料经时效后呈现出一定的加工硬化率，且均匀延伸率反而有所增加，在相同强度下其值远高于其他合金。可见用这种形态的粒子强化可有效抑制裂纹的过早萌生以及发生局部应变。研究人员用STEM对时效前后的典型组织进行了表征，观察到具有极高密度及极小尺寸的粒子均匀分布于高缺陷马氏体基体上，突破了传统马氏体时效钢析出组织难以控制的瓶颈。由于该钢种中用Al替代了传统钢中必需且昂贵的的Co和Ti，不仅降低了合金成本，且Ti的去除允许合金中引入一定量的C元素，并以碳化物的方式补充强化，这也将方便合金制备并简化精炼过程。
4高分辨率的纳米级表征结果
研究人员采用了一系列高分辨率的纳米级表征手段，包括高角环形暗场像-扫描透射电子显微镜（HADDFSTEM）、原子探针断层分析（3D-APT）、同步辐射X射线衍射对尺寸为几纳米的析出相进行了表征。结果表明，时效后只形成了一种析出相，即B2结构的Ni（Al，Fe）粒子（图2），成分为（45.7±1.6）at%Ni、（28.4±2.0）at%Al、（25.6±2.1）at%Fe。结合高分辨HADDF-STEM可知，Al和Fe共占一个点阵位置。粒子体积密度超过1024m-3，这一数值远远高于峰值时效后的其他类合金，包括传统马氏体时效钢。为何能够得到如此高密度的粒子？一方面添加相对高含量的Al和Mo元素扩大基体的点阵常数，使其与NiAl粒子相近，而该合金中析出相中部分Al点阵位置又被Fe代替从而降低B2相点阵常数，因而在一定时效温度下实现了错配度的最小化。结合共格界面本来低的界面能，显著降低均匀形核势垒，从而促进均匀形核及其形核率。另一方面，对于这种同时包含高体积分数粒子和高密度位错的体系，粒子的稳定性必须考虑。从APT结果可知，粒子的长大受局域原子重排支配，且长程扩散被抑制。究其原因，通过Mo的添加，受其极低扩散速率影响，一方面其排出于新生相而聚集于界面前沿控制粒子长大；另一方面极低错配度促进形核并进一步降低竞争长大驱动力，从而达到稳定粒子的目的。显然，基于最小错配度的合金设计思想实现了细小粒子的高密度析出。
由于析出相具有极低的错配度及极小的尺寸，传统马氏体时效钢中用于强化的共格畸变被大幅度降低，但是，该析出相本身具有很高的反相畴界能，从而以有序化效应为主导，阻碍位错切过并大幅度提高变形抗力。对于其在2GPa下仍然具有优异的塑性，究其原因，一方面极低错配度下粒子得到最大程度的均匀分布且共格畸变大幅弱化，有效缓解了传统马氏体时效钢中难以避免的应力集中问题。另外，对于新型马氏体时效钢，不仅得到了更小尺寸、更高密度的颗粒，而且颗粒的化学组成特征也大幅保留了固溶于马氏体基体中用于增强增韧的Ni元素，这对于高强度和高韧性相当重要。
（王辉）
