輕質高性能鋼一直是汽車與航天航空領域所追求的材料，這里的高性能一般泛指高強度和良好塑性之間的組合，但傳統(tǒng)的沉淀強化或相變強化雖能提升強度，但往往犧牲塑性。因此，如何在保證良好塑性的同時實現(xiàn)超高強度，一直是材料科學領域的核心難題。近年來，開始有人提出通過構建異質結構（heterostructure）實現(xiàn)強塑協(xié)同提升，且已經在一些合金體系內得到了驗證，但如何通過精細化調控在鋼材體系實現(xiàn)最佳強塑協(xié)同，仍缺乏系統(tǒng)理論與實驗驗證。

四川大學黃崇湘教授團隊聯(lián)合香港城市大學馬曉龍教授、中國鋼鐵研究總院曹文全研究員近日在《Journal of Materials Science & Technology》期刊在線發(fā)表題為“Heterostructure optimization reshapes the strength-ductility synergy in a lightweight steel”的最新研究論文，團隊通過異質結構設計與異質單元尺寸優(yōu)化的協(xié)同調控，實現(xiàn)了輕質鋼在1441MPa超高強度下仍保持36.1%延伸率的突破性性能，為輕質高強結構材料的設計提供了新思路。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.07.028

【核心內容】

該研究通過循環(huán)加-卸載實驗與位錯密度分布的系統(tǒng)分析，揭示了異質結構帶來的性能提升來源于晶界強化與異質變形誘導強化（HDI）效應的協(xié)同作用，異質結構中較小的奧氏體晶粒與B2顆粒顯著提高了晶界密度，增強了屈服強度。同時，異質單元之間形成的應力不均促進了幾何必需位錯（GND）的累積，顯著擴大了異質區(qū)影響范圍（Hbar），從而提高了應變硬化能力，延緩了塑性失穩(wěn)。

圖形摘要

【研究方法】

Fe-28Mn-11Al-1C-5Ni輕質鋼密度為6.64g/cm³，比純鐵減輕約15%，鑄鋼在1250℃下均勻化12h，然后在950-1100℃的溫度范圍內鍛造成直徑為15mm的棒材，在1050℃下進行2h固溶處理后水淬。為了獲得異質單元尺寸逐漸增大的三種異質結構，將鋼材冷軋后在1000℃下退火1、5和60min（HS1，HS5，HS60），并設置均勻對照組織（Homo）以及部分再結晶組織（PR32%、PR78%）進行比較。憑借SEM/EBSD/TEM進行微觀結構表征，力學性能通過拉伸與循環(huán)加-卸載實驗系統(tǒng)評估，并建立了基于位錯累積與GND的物理模型。

【研究成果】

① 異質結構構筑與尺寸演化

在HS1、HS5和HS60樣品中，條帶狀的B2相和彌散的B2顆粒嵌入到奧氏體基體中，其尺寸隨退火時間顯著變化，與均勻組織相比，異質組織具備顯著的尺寸梯度與空間分布差異。Homo樣品表現(xiàn)出均勻的微觀結構，等軸B2顆粒分布在奧氏體集體中，沒有條帶狀的B2相。

HS1，HS5，HS60及 Homo 樣品的SEM顯微組織與元素分布

多模態(tài)EBSD表征：相分布、B2取向及晶粒尺寸梯度演變

② 優(yōu)異的強塑性協(xié)同性能

拉伸實驗結果表明，HS1樣品實現(xiàn)了1441MPa的極限抗拉強度與36.1%的總延伸率，與均勻組織（1058MPa，37%）相比，其強度得到了大幅提升，但塑性并沒有出現(xiàn)明顯下降遠超均勻組織，表現(xiàn)出優(yōu)異的強塑性平衡。

不同樣品的應力-應變曲線與性能對比

③ 異質變形與HDI效應

通過循環(huán)加載-卸載實驗與位錯密度統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)HS1樣品具有最高的HDI應力，從Homo樣品到HS1樣品HDI應力的上升反映了異質單元顯著增強了位錯累積與應變硬化能力，且這一效應與異質結構的尺寸表現(xiàn)出了較強的相關性。

不同異質結構的HDI應力演化

梯度結構HS鋼異質界面鄰近區(qū)的幾何必需位錯密度分布及統(tǒng)計關聯(lián)性

④ 強化機制與理論建模

研究揭示了性能提升來源于晶界強化和HDI效應耦合增強，更細小的奧氏體與B2顆粒顯著提高屈服強度，且優(yōu)化的異質單元尺寸擴大了Hbar的范圍，提高了位錯密度梯度，從而顯著提升應變硬化能力。團隊建立的物理模型定量預測了最佳異質單元尺寸約為 2×Hbar，與實驗獲得的HS1結果高度一致。

力學耦合效應的跨尺度強化機制模型

不同組織輕質鋼的強塑性對比

【總結與展望】

該研究系統(tǒng)地探討了異質結構設計和異質單元尺度在調控奧氏體B2輕質鋼力學性能的作用機制，異質結構能夠通過GB強化和HDI效應耦合協(xié)同改善材料的性能。另外，研究中還通過理論模型確定了能夠最大化HDI效果的臨界異質單元尺寸（~2×Hbar）。這些成果為通過微結構設計重塑輕質鋼的強塑性協(xié)同優(yōu)化提供了新的指導思路。