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氮合金化调控马氏体变体分布，抑制晶面和体积膨胀（约6.7×10-3和8.0×10-3），通过碳氮化合物（M=V, Cr, Mo）析出细化变体尺寸，形成高密度界面（密度增加约100%），实现2 GPa强度与双倍夏比冲击韧性同步提升，提出变体调控新策略。
王海健|冯浩|李华兵|卢鹏冲|戴静|朱洪春|张树才|何志宇|姜周华
东北大学冶金学院，中国沈阳 110819
摘要
具有超高强度和优异韧性的马氏体钢在能源和航空航天工业中越来越重要。本研究介绍了一种新型马氏体钢，通过氮驱动的马氏体变体选择，其抗拉强度达到了2 GPa，并且比基体钢的夏比冲击韧性提高了两倍。微观结构分析表明，通过固溶氮处理，马氏体变体分布的均匀性得到了改善，变体平面和体积的膨胀分别减少了约6.7×10?3和8.0×10?3。同时，通过M(C, N)（M=V, Cr, Mo）碳化物钉扎先前的奥氏体晶界，进一步细化了马氏体变体的尺寸。这些细化和均匀分布的变体引入了高密度的变体界面，根据Hall-Petch关系，显著增强了晶界强化效果，提高了约210 MPa。此外，氮合金化将高角度变体对之间的晶界密度从0.54 μm/μm2提高到了1.48 μm/μm2，使得裂纹偏转长度增加了约100%，形成了锯齿状晶界，并促进了冲击能量的吸收，从而实现了夏比冲击韧性的加倍。这种氮驱动的变体调控策略为超高强度钢的设计提供了一种新的方法。
引言
超高强度钢是汽车、工程机械和航空航天等领域的重要基础材料[1]。然而，强度与韧性之间的权衡一直是一个核心挑战[2]，这受到微观结构特征的影响，包括沉淀物、位错和马氏体基体[3,4]。例如，2 GPa级的18Ni350马氏体时效钢依赖于高比例的沉淀物[5]。此外，通过多方向锻造、低温处理和回火制备的层次结构钢包含层状和双拓扑的马氏体以及细分散的稳定保留奥氏体，激活了多种机制来提高强度和韧性[6]。由于基体的复杂层次结构，包括先前的奥氏体晶粒（PAGs）、马氏体团块、块状结构和变体[7,8]，需要明确其形成机制、演变和功能贡献。与最细的层状结构相比，变体结构允许进行更宏观和自动化的统计分析。目前，变体重构技术已被广泛报道[[9], [10], [11]]，这显著推进了变体的可视化和分布分析，以及与其性能相关的统计分析和理解。然而，调节变体以增强机械性能仍然是一个关键挑战。
马氏体转变是一种无扩散的剪切转变[[12], [13], [14]]。马氏体与奥氏体之间的取向关系可以通过经典的Kurdjumov-Sachs（KS）关系很好地描述[15]。从马氏体转变中生成的24种变体被分为四组马氏体团块，每组团块代表具有几乎相同习性平面的层状结构。这些团块进一步细分为块状结构，即具有几乎相同取向的层状结构群。变体存在于层状结构和块状结构之间，代表具有特定KS取向关系的单个马氏体晶体单元[16,17]。在马氏体钢中，团块、块状结构和变体的边界阻碍了位错的运动和裂纹的扩展[18,19]，通常使用马氏体块的大小来计算晶粒细化强化[20]。因此，通过合金化、热加工和热处理工艺来细化微观结构。
实现细化和均匀分布（弱选择性）的变体是提高马氏体钢机械性能的关键。与热加工和热处理相比，适当的合金元素添加具有双重功能：（1）溶解在基体中以调节马氏体转变；（2）沉淀第二相以细化奥氏体晶粒[21,22]。然而，同时实现这两种功能仍然具有挑战性。与替代元素（Cr、Mo和V）相比，间隙元素N和C可以在相组成调整和奥氏体稳定中发挥关键作用，对沉淀物和PAGs的调控起着关键作用[23]。固溶N和C会影响晶格畸变的程度[23,24]，从而影响变体的晶体学平面和体积变化。然而，Cr-Mo-V马氏体钢已经含有约0.4 wt.%的C。进一步增加C含量会加剧服役过程中粗大不规则碳化物的形成[25,26]以及凝固过程中的初级碳化物的形成[27]。需要探索氮在马氏体钢中的有益效果。
在本研究中，通过氮合金化创新性地调控了马氏体变体。对变体形成过程进行了严格的数学推导，然后计算了变体应变矩阵和马氏体转变驱动力。通过共定位的Kikuchi衍射（TKD）和透射电子显微镜（TEM）表征结合定量计算，分析了变体调控的内在机制及其对性能的贡献。我们的工作为变体控制建立了一种创新策略，并阐明了与变体相关的强化和韧性机制。这种以变体控制为中心的设计策略为开发新型超高强度钢提供了一种新方法。
材料与热处理
在本研究中，选择了常用的中碳Cr-Mo-V马氏体钢（AISI H13钢）作为基体钢。不同氮含量的马氏体钢分别命名为S0（0 wt.%N）、S1（0.04 wt.%N）和S2（0.13 wt.%N），在氩气和氮气气氛下使用25公斤压力感应炉制造，详见补充材料中的表1和图S1。详细工艺过程在补充材料中有描述。铸造锭经过均质化处理
机械性能
图1(a)显示了S0（蓝线）、S1（绿线）和S2（红线）钢的典型拉伸工程应力-应变曲线。与S0-AQT钢相比，S1-AQT和S2-AQT钢的极限抗拉强度（UTS）分别提高了240 MPa和325 MPa，屈服强度（YS）分别提高了176 MPa和265 MPa，伸长率（?）也相似，详见表2。此外，S0-AQT和S1-AQT的平均冲击能量从10.9 J/cm2增加到20.8 J/cm2，然后增加到25.2 J/cm2
讨论
值得注意的结果是，氮合金化通过调控变体显著提高了强度和韧性。本文将详细讨论氮对变体选择以及强化和韧性机制的影响。
结论
通过氮驱动的变体选择，实现了马氏体钢强度和韧性的同时提升。主要发现如下：
(1)通过抑制变体晶体平面和体积的膨胀（6.7×10?3和8.0×10?3），氮合金化产生了所需的较高驱动力（约669 J/mol），从而获得了均匀的变体分布。通过FCC型M(C, N)（M=V, Cr, Mo）碳化物钉扎，变体尺寸得到了细化（约50%）。这种分布
CRediT作者贡献声明
王海健：撰写——原始草稿，研究，数据管理，概念化。冯浩：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取，数据管理。李华兵：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取，概念化。卢鹏冲：撰写——审阅与编辑，验证。戴静：验证，数据管理。朱洪春：监督，数据管理。张树才：验证，研究。何志宇：验证，数据管理。姜周华：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号52374331、52325406和52504360）、辽宁自然科学基金优秀青年基金（编号2024JH3/10200007）、中国博士后科学基金（编号2024M760369）、中央高校基本科研业务费（编号N25QNR012）以及中国宝武低碳冶金创新基金（编号BWLCF202409）的支持。特别感谢
