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亚稳奥氏体不锈钢广泛应用于交通运输、石油化工以及其他民用和国防领域。然而，常规轧制固溶处理后亚稳奥氏体不锈钢的晶粒尺寸达到20-120 μm，屈服强度仅为150-300 MPa。屈服强度不足严重限制了其服役于承重、动载和高压工况下作为高强结构件的应用。为了满足结构轻量化和安全性能提高的需求，开发高强高韧性的亚稳奥氏体不锈钢成为亟待解决的难题。晶粒细化能够在不增加合金成本的前提下提高屈服强度。然而，当晶粒均匀细化到亚微米甚至纳米尺度时，应变硬化率会显著降低导致韧性严重恶化。同时，晶粒的等轴纳米化亦会抑制TRIP效应，引起应变集中继而产生不均匀变形。因此，提高纳米晶亚稳奥氏体不锈钢的应变硬化能力在获得超高屈服强度的同时兼备优异的韧性意义重大。
轧制退火工艺可有效细化亚稳奥氏体不锈钢的晶粒。亚稳奥氏体不锈钢室温冷轧过程中发生应变诱导马氏体转变，退火阶段奥氏体的逆转变和再结晶导致晶粒细化，从而获得纳米晶(<100 nm)/超细晶(100-500 nm)组织，屈服强度可达1157 MPa，但在变形过程中形成明显的屈服降并引发长吕德斯带。降低轧制温度能够促进马氏体转变，-196 ℃深冷轧制可产生更高含量的马氏体，并进一步形成含有位错胞结构的马氏体，退火阶段马氏体发生逆转变形成均匀等轴的超细奥氏体晶粒，屈服强度高达1250 MPa，但在变形过程中发生应变软化。冷轧/深冷轧退火可以显著细化晶粒并提高屈服强度，但无法避免的以大幅牺牲韧性为代价。200 ℃温轧应变下亚稳奥氏体不锈钢的变形机制由应变诱导马氏体转变为形变孪生，退火组织中形成微米级(>1 μm)/亚微米级(500-1000 nm)晶粒，但屈服强度仅为540 MPa。通过调整轧制退火工艺，对亚稳奥氏体不锈钢的微结构进行设计与构筑，从而打破强韧性权衡困境。在实现超高屈服强度的基础上，发生持续的应变硬化，从而获得良好的成形性能并阐明亚稳双相异质层状结构的增强增塑机制是本项研究的目标和关键。东北大学徐伟教授研究团队创新性的采用“温轧与深冷轧相结合的变温轧+退火”的工艺路线制备了具有亚稳双相(FCC+BCC)的异质层状结构，获得了高强高韧性的亚稳奥氏体不锈钢，打破了金属材料强度与韧性不可兼得的瓶颈，并揭示了亚稳异质层状结构的强塑性机制。相关工作以题为“Overcoming the strength-ductility trade-off in metastable dual-phase heterogeneous structures using variable temperature rolling and annealing”的研究论文发表在Materials Research Letters上。论文的第一作者为胡军特聘研究员，第二作者为研究生李旭阳，王灵禺博士后为共同通讯作者，东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室为第一通讯单位。
https://doi.org/10.1080/21663831.2023.2209596
图1.实验钢轧制和退火过程示意图：(a)冷轧退火；(b)深冷轧退火；(c)变温轧退火。
图2.轧制态钢板组织的低倍和高倍TEM图像：(a)(b)冷轧钢；(c)(d)深冷轧钢；(e)(f)变温轧（3.5）钢；(g)(h)变温轧（2.5）钢。
图3.退火态钢板组织的低倍和高倍TEM图像：(a)(b)冷轧退火钢；(c)(d)深冷轧退火钢；(e)(f)变温轧退火钢。
图4.退火态钢板的拉伸性能：(a)工程应力-应变曲线；(b)真应力-应变曲线和加工硬化率曲线；(c)屈服强度变化规律；(d)均匀延伸率变化规律。
图5.退火态钢板的异构变形诱导(HDI)应力和TRIP效应：(a)加载-卸载-再加载工程应力-应变曲线；(b)加载-卸载-再加载真应力-应变曲线；(c)HDI应力随真应变的变化；(d)奥氏体相含量随工程应变的变化。
图6.变温轧退火态钢板相变和变形机制示意图：(a)固溶处理态；(b)变温轧（3.5）钢；(c)变温轧（2.5）钢；(d)变温轧退火钢；(e)变形态。
作者通过300 ℃温轧与-196 ℃深冷轧相结合的变温轧+650 ℃退火新工艺，设计了亚稳双相异质层状结构。冷轧/深冷轧退火钢在拉伸变形过程中发生应变软化，导致均匀延伸率仅为2-3%。相比之下，变温轧退火工艺获得了亚稳双相异质层状结构，屈服强度超过1 GPa，而且持续的应变硬化使得均匀延伸率显著提高至10%。利用TEM对变温轧退火过程中的组织转变进行了精细的表征，揭示了亚稳双相异质层状结构的形成机制。温轧过程中产生了大量的变形孪晶，随后深冷轧制阶段马氏体在变形孪晶处形核并沿其生长，最终形成层状的板条马氏体结构。在退火过程中，部分板条马氏体逆转变为板条奥氏体，与另一部分残留的板条马氏体共同组成了交替分布的亚稳双相异质层状结构。
亚稳双相异质层状结构的强韧化机理概括为三个方面。首先，双相组织的硬度分布不均匀。软相的塑性变形被周围的硬相有效约束，在软相中产生背应力，促进HDI应变硬化。纳米级的双相异质层状结构具有高密度的相界面，几何必要位错可以在界面处积累以增强背应力。其次，层状组织比等轴状组织能够产生更为显著的应变硬化，特别是当其长轴平行于加载方向时，这种结构的几何形状使不同相之间的相互约束更加有效，激发更显著的背应力。最后，背应力与外加应力共同作用促进软相奥氏体区内的马氏体相变，继而生成的新鲜马氏体又会与周围的软相奥氏体协同提升HDI硬化。最终实现HDI硬化与TRIP效应的相互促进。
总之，对亚稳奥氏体不锈钢制定了一种新型的变温轧制和退火工艺，获得了独特的亚稳双相异质层状结构，实现了1 GPa以上的超高屈服强度。与冷轧/深冷轧退火钢2-3%的低均匀延伸率相比，其呈现连续的屈服行为以及稳定的应变硬化，均匀延伸率大幅提高至10%，通过异质结构显著的HDI硬化和亚稳奥氏体持续的TRIP效应的耦合作用克服了强韧性权衡困境。
本文来自“MRL期刊”。
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