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钢在工业体系中无论是涉及领域的宽度还是使用量的多少都有着毋庸置疑的地位，作为最重要也是最成熟的金属材料体系之一，几乎在任何一个工业领域中都能够看到钢材的身影。其中，马氏体钢便是一种应用广泛的高强度钢，但在有些服役场景中，其会受到塑性不足的制约。传统的解决方案是通过一系列热处理工艺以改善塑性，例如Q&P钢就是通过淬火配分热处理方案制备，通过热处理以调控钢中的残余奥氏体，通过相变诱发塑性效应（TRIP）提升塑性。然而，这些方法不仅工艺复杂，还由于需要长时间热处理的限制，在工业化大规模生产上优势并不大。

研究人员们不断试图开发更便捷的方法，近年来化学异质性在钢中引入强-韧协同的潜力开始被人们发现，特别是锰元素的分布调控。但该方法究竟能否在不依赖残余奥氏体的情况下，仅凭马氏体内部的化学异质性就能够实现强塑性的协同，这一点在之前的研究中还未明确阐明。清华大学与天津大学的联合团队于2025年9月15日在国际材料领域期刊《Scripta Materialia》在线发表的题为“Ductilizing martensite in lean steel via chemical heterogeneity”的研究论文给出了答案，该论文的通讯作者为天津大学丁然副教授和清华大学的张游游博士以及陈浩教授。

文章链接：

https:///10.1016/j.scriptamat.2025.116986

【核心内容】

在该论文的研究中，团队证明了在低合金钢中，通过快速退火而引起的马氏体内的化学异质，可以使得钢材在不依赖残余奥氏体体的情况下，协同提高强度和塑性。团队研究发现，钢中了形成Mn贫化马氏体（MDM）与Mn富集马氏体（MEM）的共存结构，二者的取向差异在界面处产生大量几何必要位错（GNDs），并在拉伸过程中诱发持续的背应力硬化。因此，尽管残余奥氏体量很少(~2%)，异质样品的力学性能仍超过其同质样品。这项工作证明，马氏体中内在的化学异质性可以实现出色的强塑性协同作用，为先进的高强度钢提供了一种无需依赖TRIP效应的简化替代方案。

图形摘要

【研究方法】

团队所使用的钢成分为Fe-0.19C-1.5Si-2.0Mn-0.02Nb（wt.%），在经过热轧冷却之后，获得含有富锰渗碳体的铁素体+珠光体组织，再经过冷轧减薄厚度。随后团队设计了一套核心为快速退火（flash annealing）的热处理工艺方案：

• 通过快速加热（300℃/s）至920℃保温2s，再以相同的速度快速冷却至室温，快速的加热冷却以及短时间的保温使得Mn根本没有充足的时间完全扩散，因此能够得到具有化学异质性的样品，命名为“Het样品”。
  

• 对照组“Hom-1”和“Hom-2”则通过延长保温时间或完全均质化处理，其中Hom-1样品的加热和冷却速率与Het样品相同，不同的是其在920℃下保温了30s；而Hom-2样品在保温了20min后进行水淬。
  

  

随后，研究团队结合SEM、EBSD、STEM-EDS、纳米压痕、原位拉伸-DIC等多种手段，对不同样品的微观结构和力学性能进行了系统对比。

【研究成果】

① 快速退火前组织中的锰富集行为

冷轧组织由变形的铁素体和珠光体区组成。STEM-EDS分析显示，渗碳体颗粒中的锰含量与尺寸有明显的相关性，大尺寸颗粒约含Mn约24wt.%，中尺寸颗粒约16wt.%，小尺寸颗粒小颗粒或珠光体片层约10wt.%，铁素体基质中的平均锰含量约为1.3wt.%，这种Mn的不均匀分布为后续快速退火后形成化学异质马氏体奠定了基础。

初始冷轧组织及渗碳体中的锰分布特征

② 马氏体中的异质结构：Mn贫化与Mn富集区域

在Het样品中观察到两种类型的马氏体相：Mn贫化马氏体（MDM）与Mn富集马氏体（MEM），MDM具有多取向变体，而MEM则受限于单一取向变体，这种显著的晶体学差异导致MDM/MEM界面处产生GNDs，相比之下，对照组显示出均匀的马氏体组织，没有明显的结构区别。

三种样品的SEM显微组织及力学性能对比曲线

MDM与MEM的取向变体差异及Mn元素分布