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第一作者：罗海文
通讯作者：罗海文，王晓辉
通讯单位：北京科技大学
DOI：10.1016/j.jmst.2020.04.001
本文研究了1900 MPa级超高强马氏体不锈钢的强度与韧性的组织控制单元，得出马氏体钢的屈服强度与高角晶界所定义尺寸之间的关系符合经典Hall-Petch公式，而韧性则由大角和小角晶界上分布的残余奥氏体所决定，其分布频密度和力学稳定性与马氏体钢的韧性息息相关。
目前的超高强钢几乎都是以马氏体为基体，而马氏体是典型的多层次结构单元的组织，按微结构单元尺寸由大到小排列，分别为原奥晶粒尺寸（PAGS）、马氏体块（Packet）、马氏体束（Block）、马氏体板条（Lath）。搞清楚是哪一层级的微结构单元控制了马氏体钢的屈服强度和韧性，无疑对进一步提高马氏体钢强度和韧性具有重要的指导意义。然而，直到今天，决定马氏体钢强度和韧性的微结构单元并无定论，PAGS、Packet、Block、Lath等都被报道可能是分别控制屈服强度和韧性的控制组织单元，因此关于马氏体钢力学性能后面的组织机制目前依然处于众说纷纭的状态[1-8]。
基于此，本文通过热变形和热处理相结合的方式，将高合金马氏体不锈钢（Ms点约为90 oC）的原奥晶粒尺寸由76 μm细化至6 μm，马氏体不同层级的微结构单元也得到不同程度的对应细化，如Packet随着原奥细化而不断细化；但Block和Lath尺寸当原奥细化至16 μm以下时就不再变化（图 1）。对应的，当原奥氏体晶粒由76 μm细化至16 μm时，马氏体钢的屈服强度和韧性均随之显著改善；继续细化时，强度继续增加但幅度显著减小，强化效果效果趋于饱和，而韧性几乎没有变化。
由于原奥晶界、马氏体块/束界均为大角晶界，对位错运动有类似的阻碍作用，均导致位错在高角晶界处堆积，因此，可将所有的大角晶界均考虑进来进而定义出一个大角晶界所构成的等效晶粒尺寸，我们发现该尺寸与马氏体钢屈服强度的关系高度符合经典Hall-Petch理论（图 2），从而证实了屈服强度主要由大角晶界的密度所决定。由于马氏体钢中大角晶界中分数最大的是马氏体束界（block boundary），因此这一类型的晶界对屈服强度贡献最大。同时由于当PAGS细化至16 μm 以下时Block size不再显著细化，因此屈服强度随着原奥晶粒的细化而不再明显增加。而韧性是由大角和小角晶界上所分布的残奥晶粒的频密程度和捕捉裂纹的能力所决定（图 3），而当原奥晶粒细化至16 μm以下时，block （大角晶界主要贡献者）和lath（唯一低角晶界）尺寸均不在变化，因此此时即使原奥氏晶粒进一步细化，韧性也不再改变。
本研究结果阐明了未来继续提高马氏体钢强韧性所应遵循的组织路径，即不断增大马氏体组织中的大角和小角晶界密度，如此既可以通过Hall-Petch关系提高屈服强度，也可以通过提高在这些界面上所残留的奥氏体晶粒数量来改善韧性。但是通过不断细化原奥晶粒的这一传统方法存在上限，因为随着原奥晶粒不断细化，其增加大角和小角晶界的效果趋于饱和。未来进一步改善马氏体钢强韧性的途径，在于找到促进马氏体组织中形成更多界面的方法。
本研究由北京科技大学罗海文教授团队与钢铁研究总院刘振宝教授团队合作完成。
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H.W. Luo, X.H. Wang, Z.B. Liu, Z.Y. Yang, J. Mater. Sci. Technol. 51 （2020） 130–136
DOI：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.04.001
图 1 马氏体各层级单元尺寸随着原奥晶粒尺寸细化的变化
图 2 马氏体组织各层级单元尺寸与屈服强度的关系及Hall-Petch 分析，可以看出高角晶界定义的尺寸（HBs）最符合该经典理论。
图 3 残奥晶粒主要分布在高角晶界（以block 界为多）和低角的lath界上（薄膜状），裂纹的扩展将撕裂各种类型的残奥，导致裂纹扩展邻近区域的块状残奥几乎转变殆尽。
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