金属所-香港理工《Acta Materialia》：新型超高强韧耐蚀不锈钢！

如何获得高强度和耐蚀性能兼备的高性能不锈钢，是我国面临的35项“卡脖子”技术难题之一。传统的马氏体时效钢虽然具有较高的强度，但存在成本高、耐蚀性差等缺点，这一直制约着这类材料的发展。因此，如何在维持优异力学性能的前提下，降低材料成本、提高耐腐蚀性能是新一代马氏体时效钢的研究重点和难点。

针对这一问题，中科院金属所王威团队和香港理工大学焦增宝团队合作研究了含Cr型低Ni低Co马氏体时效不锈钢，探索了合金元素协同作用和纳米复合析出行为，利用纳米Ni₃Ti、富Mo相、富Cr相的复合析出强化，开发出兼具超高强度、良好塑韧性和耐腐蚀性能的新型马氏体时效不锈钢。论文第一作者为中科院金属所博士生/香港理工大学访问学生牛梦超，通讯作者为中科院金属所王威研究员和香港理工大学焦增宝博士，合作者还包括金属所尹利长研究员、杨柯研究员和香港城市大学栾军华博士。论文以“Synergistic alloying effects on nanoscale precipitation and mechanical properties of ultrahigh-strength steels strengthened by Ni₃Ti, Mo-enriched, and Cr-rich co-precipitates”发表在材料期刊Acta Materialia上。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645421001683

利用三维原子探针、透射电镜和第一性原理计算研究了Fe-Cr-Ni-Co-Mo-Ti系新型马氏体时效不锈钢的合金元素协同作用和纳米析出行为，发现合金中存在Ni₃Ti、富Mo和富Cr相等多种纳米析出相，各种析出相的形成不是独立的，而是存在复杂的交互作用。

研究表明：

1）在Ni₃Ti析出初期，Mo原子偏聚在Ni₃Ti析出相的核心，不仅增加了Ni₃Ti析出的化学驱动力，同时还降低了Ni₃Ti形核的应变能，显著加速了纳米Ni₃Ti的析出，获得了高数目密度的Ni₃Ti纳米析出相。

2）随着析出反应的进行，Mo原子从Ni₃Ti析出相核心被排斥到Ni₃Ti与基体的界面处，从而促进富Mo相在Ni₃Ti与基体界面处的异质形核，获得了高数目密度的纳米富Mo相。

3）Ni₃Ti相的析出也间接影响富Cr相的析出，这是因为Ni₃Ti的析出消耗了大量的Ni，影响马氏体基体的相稳定性，从而影响富Cr相的调幅分解。

利用纳米Ni₃Ti、富Mo相、富Cr相的复合析出强化，开发了新型超高强度不锈钢，室温下屈服强度为1732 MPa、拉伸强度1840MPa、塑性11%、韧性89 MPa·m1/2，在500℃时的屈服强度超过1100 MPa，因此在较宽的温度范围内表现出优异的力学性能。

图1. Mo元素促进Ni₃Ti相的形核：(a-f) Ti-steel和Ti/Mo-steel在不同时效时间的Ni₃Ti析出组织，(g)和(h) Ni₃Ti在两种钢材中的数量密度和体积分数

图2. Ni₃Ti相促进富Mo相的界面异质形核：(a)0.5 h, (b) 24 h, (c) 60 h时效的Ni、Ti、Mo原子分布图

图3. Ni₃Ti的析出细化了富Mo相：(a-c) Ti/Mo-steel的微观组织，(d-f) Mo-steel的微观组织，(g-f) 富Mo相的STEM和原子排列模拟图

图4.富Cr相在三种钢材中的分布：(a-d)Mo-steel，(e-h) Ti-steel，(i-l)Ti/Mo-steel

图5. 新型超高强度不锈钢中多种析出相的复合析出机制

图6. 新型超高强度不锈钢的力学性能：(a)室温拉伸，(b)不同温度拉伸性能

通讯作者：

王威研究员，中国科学院金属研究所特种合金研究部研究员。主要从事高品质特种合金及其薄带产品技术研发、核电用马氏体耐热钢及高强高韧不锈钢等材料的设计、制备与性能研究。目前，在Acta Mater.、JMST、ScriptaMater.等材料类期刊发表论文50余篇，出版英文专著1本，已获相关授权专利20余项。

焦增宝博士，香港理工大学机械工程学系助理教授。主要从事超高强度钢、高熵合金、高温合金和纳米晶的合金设计、组织性能调控以及纳米结构的三维原子探针表征。发表在Science、Nature Commun.、Mater Today、Acta Mater. (14篇) 等期刊论文五十余篇，被Acta Mater.、Scripta Mater.、Intermetallics等多种期刊的评为“杰出审稿人”，课题组主页：www.zbjiao.hk。