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图 （A）传统等轴结构的马氏体；（B-I）基于拓扑学结构设计与亚稳奥氏体调控的新型多层次纳米结构马氏体
在国家自然科学基金项目（批准号：52104371、U21A20116）等资助下，东北大学王国栋院士、袁国教授团队与中国科学院金属研究所阎丰凯研究员、兴橙特钢杜鹏举博士、德国马普钢铁研究所Dierk Raabe教授在2000 MPa级超高强钢铁材料组织创新设计与增塑机制方面取得新进展。研究成果以“高塑性2 GPa多层次结构钢（Ductile 2-GPa steels with hierarchical substructure）”为题，于近日在线发表于《科学》（Science）杂志上。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.add7857。
如何同时提升强度和塑性，是结构材料领域长期以来亟需突破的重大理论难题，也是从基础研究到技术创新和应用实践的瓶颈。尤其当强度达到2000 MPa级时，塑性出现断崖式下降，均匀延伸率普遍低于10%，其根本原因在于传统马氏体的初始高密度位错难以继续增殖，且无序排列的几何取向结构微观塑性变形极不均匀，容易产生局部应力/应变集中而使材料过早失效。因此，通过节约型合金设计和简单高效的加工工艺制备低成本高塑性的2000 MPa超高强钢仍面临巨大挑战。
面对上述挑战，该研究团队创新提出“马氏体拓扑学结构设计+亚稳相调控”协同增塑新机制，通过简单的锻造工艺成功制备出系列低成本C-Mn系新型超高强钢，打破了超高强钢对复杂制备工艺和昂贵合金成分的依赖，也突破了现有2000MPa级马氏体高强钢抗拉强度—均匀延伸率的性能边界，同时，构筑出一种全新的拓扑学双重有序排列的马氏体和多尺度亚稳奥氏体的纳米级多层次组织结构（图）。该组织通过在变形过程中诱发板条界面（in-lath-plane slip）位错滑移、界面塑性和相变诱发塑性（TRIP）等多种增强增塑机制，促使材料具有持续较高的加工硬化能力，大幅提升其强度和塑性，实现了1600～1900 MPa屈服强度，2000～2400 MPa抗拉强度和18%～25%均匀延伸率的极致性能。该研究提出了马氏体/奥氏体多层次结构设计新理念，充分挖掘了材料潜力，加深了对马氏体结构调控以及变形机理的理解和认识，对推动低成本、大尺寸超高强塑性钢铁材料的制备和应用具有重大现实意义。该研究不仅适用于钢铁材料，也为其他超高强塑性金属材料的开发与制备提供了新的研究思路。