双相不锈钢（DSS）是一种由δ-铁素体和奥氏体组成的双相微观结构的金属材料。与单相铁素体和奥氏体不锈钢相比，DSS结合了前者的优异抗应力腐蚀开裂性能和后者的优异韧性[[1], [2], [3]]。因此，它们被广泛应用于铁路运输、建筑结构、石油管道、天然气传输和核能等关键工业领域[[4], [5], [6]]。近年来，由于全球镍资源的战略稀缺性，开发低镍或无镍的低镍双相不锈钢（LDSS）已成为该领域的重要方向[[7], [8], [9], [10]]。然而，LDSS的广泛应用仍然受到经典“强度-韧性平衡”难题的阻碍：虽然传统的细晶强化或冷加工可以增强强度，但它们往往由于位错存储能力的过早耗尽而严重降低韧性[[11], [12], [13]]。这一限制限制了它们在极端服役环境中的潜力，并阻碍了相关组件的轻量化设计。
新兴的异质结构材料设计为克服这一物理瓶颈提供了新的途径[[14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21]]。其核心概念是通过引入具有不同几何特征的域（如不同的形态、长度尺度或内在属性），在变形过程中通过机械不相容性产生几何必要位错（GNDs）和长程异质变形诱导（HDI）背应力。这增强了应变硬化能力和整体塑性，从而实现了强度和韧性的协同作用[[22], [23], [24], [25]]。其中，多尺度晶粒异质性是一种典型的异质结构[[26,27]]。Kim等人[[28]]深入研究了异质界面的动态演化机制，表明软区中的晶粒异质性是触发两阶段HDI硬化和诱导马氏体相变（TRIP效应）的关键因素。Xu等人[[29]]证实，在超细晶粒基体中分散软质微晶域可以通过局部塑性变形有效缓解应力集中，即使在2 GPa的超高强度下也能保持优异的损伤容忍度。Moallemi等人[[30]]通过控制热机械加工实现了由超细晶粒和粗晶粒组成的双模态微观结构，获得了1 GPa的抗拉强度和40%的延伸率。除了晶粒尺寸调控外，空间形态定制（如构建交替的层状异质结构）是另一种有效的几何策略。这样的架构使硬质域对软质域施加显著约束[[31], [32], [33]]。Gao等人[[34]]通过热轧制备了纳米层状结构，提高了极限抗拉强度。同样，Ding等人[[35]]证明铁素体/奥氏体层状界面通过持续的TRIP效应协调了应变分配并延缓了颈缩。
然而，仅基于几何参数（即晶粒尺寸或形态）构建异质结构可能无法充分挖掘材料的潜力；在异质域内的微观结构定制仍然是一个关键的研究方向。在双相不锈钢（DSS）中，许多报道的异质结构的一个共同特点是，无论是在严重塑性变形（例如摩擦搅拌加工FSP）过程中通过动态再结晶形成的，还是在常规热机械加工过程中通过静态再结晶形成的，其组成域通常都达到完全再结晶状态[[36], [37], [38], [39]]。虽然这确保了结构均匀性，但它有效地降低了相内的“能量异质性”（即位错密度梯度）。因此，需要采用“相特定定制”策略来整合几何异质性与内能梯度，从而超越平衡状态，进一步激活协同变形机制。
由于组成相的再结晶动力学不同，因此在DSS中实现这种相特定定制以捕捉非平衡状态在物理上是可行的[[40]]。铁素体具有较高的堆垛错能和快速的自扩散特性，容易快速恢复和晶粒生长。相比之下，奥氏体具有较低的堆垛错能和缓慢的再结晶动力学，有利于保持变形亚结构。这种“动力学不匹配”使得独特的结构设计成为可能：通过严格限制冷轧后的退火窗口，可以在基体中保持再结晶和未再结晶区域的共存。这建立了稳健的内部硬度梯度，从而增强了整体几何异质性。
鉴于此，本研究探索了一种结合冷轧和短时退火的工业可行策略，成功制备了低镍双相不锈钢（LDSS）中的独特多级异质结构。与之前的设计不同，这种结构在多个尺度上整合了异质性：（i）交替的铁素体/奥氏体层状特征；（ii）双模态晶粒尺寸分布；以及（iii）位错密集的未再结晶硬质域和无缺陷的再结晶软质域。这种特定设计不仅最大化了来自多个异质界面的HDI强化效果，还保留了能够触发持续TRIP效应的亚稳态奥氏体。最终，实验钢实现了强度和韧性的优异平衡，抗拉强度为1138 MPa，总延伸率为45.1%，为高性能不锈钢的微观结构设计提供了新的范例。
