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机械工程学会摩擦学分会 固体润滑国家重点实验室 摩擦学学报
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学科探索

国际核用材料领域权威期刊《J. Nucl. Mater.》：718合金质子辐照微观结构演化与辐照硬化研究新进展 2025-11-17 ; 核燃料组件（由燃料棒、定位格架及支撑结构组成）是反应堆内的产热部件，同时构成第一道安全屏障。718合金作为一种沉淀强化型镍基高温合金，因其高强度、优异的抗辐照肿胀性能及卓越的耐腐蚀性能，被用于制造燃料组件定位格架弹簧等堆内构件。燃料组件定位格架弹簧长期处于强中子辐照与高温高压水腐蚀环境，易发生辐照辅助应力腐蚀开裂。目前，全球多座轻水堆中已出现718合金的辐照致性能退化现象。辐照对合金的影响包括非平衡偏聚、微观结构演变及硬度变化等，这些均可能导致材料性能退化或失效。当前关于718合金辐射损伤的研究多集中于析出相损伤与宏观力学性能变化，但多数研究尚未系统关注γ″相存在的三种晶体学变体，而不同变体可能表现出截然不同的辐照损伤行为。同时，低剂量质子辐照对材料力学性能的影响机制也亟待深入探究。 近日，我院检测中心张志明研究员与中国科学院金属研究所相关团队研究探讨了低剂量质子辐照下718合金的微观结构演变与硬度变化规律，揭示了其组织演化规律与辐照硬化机制。相关研究成果以“The role of microstructural evolution in irradiation hardening of Alloy 718 under low dose proton irradiation”为题发表在核材料研究领域权威期刊《Journal of Nuclear Materials》上。 正文 原论文首页 在315℃下，采用1.5 MeV质子对718合金进行辐照，位移损伤剂量分别达到0.02、0.04与0.09 dpa。微观结构表征结果表明，低剂量质子辐照对Alloy 718的影响主要表现为辐照缺陷、γ″相无序化及辐照硬化，未观察到空洞与辐照诱导偏析现象。质子辐照剂量越高，缺陷密度越大，但缺陷尺寸随辐照剂量增加未发生显著变化。受位移级联与替换碰撞作用，γ″相会发生会失去其有序结构仍保持四方晶体结构。在相同辐照剂量下，γ″相的三种变体表现出不同的稳定性，其中[001]方向平行于质子束的变体最为稳定。随着辐照剂量升高，材料硬度呈现先下降后上升的变化趋势。该力学性能演变由辐照缺陷导致的硬化效应与γ″相无序化引发的软化效应共同驱动。在0.04 dpa辐照剂量下，γ″相无序化起主导作用，材料硬度达到最低值；当辐照剂量增至0.09 dpa时，受缺陷-位错相互作用影响，硬度达到最大值。 图1. 不同辐照剂量718合金EDS面扫描和线扫描结果：（a）0 dpa；（b）0.02 dpa；（c）0.04 dpa；（d）0.09 dpa 图2. 不同辐照剂量718合金的SAED和DF像：（a）0 dpa；（b）0.02 dpa；（c）0.04 dpa；（d）0.09 dpa ;图3. 不同辐照剂量718合金的HADDF和BF像：（a）0 dpa；（b）0.02 dpa；（c）0.04 dpa；（d）0.09 dpa 图4. 718合金中γ″相三种变体的HRTEM像以及对应的FFT图案 图5. 辐照后718合金硬度随深度的变化曲线（a）和硬度随剂量的变化曲线（b）
中国科学院大学《AM》揭示多材料激光增材制造元素混合、金属间化合物和微裂纹之间的相互作用 2025-11-13 ; 导读：由于脆性金属间化合物（IMC），多种金属材料的增材制造（AM）在异种材料界面处存在微裂纹。虽然通过专门的成分设计来避免IMC是一种传统方法，但熔池材料混合、IMC特性和微裂纹之间的相互依赖性尚不清楚。在这项工作中，我们比较了铝合金衬底和铬镍铁合金颗粒激光粉末床熔融的典型工艺条件。我们发现，在较低能量密度条件下，异种材料混合不足会加剧元素聚集、IMC浓度和开裂。高速同步加速器X射线成像表明，富镍簇可以突然坠入熔池中，导致IMC和微裂纹的定位。在高能量密度情况下，锁孔振荡可以分散富镍簇并抑制裂纹，但会导致锁孔孔隙。微观结构表征和多物理场模拟支持X射线成像观察。我们提出，控制熔池流动以增强混合，同时防止孔隙，是冶金不相容双合金无裂纹增材制造的关键。 ; 在航空航天;、可再生能源;和汽车行业;中，具有特定位置定制物理特性的多功能集成多金属结构越来越受到青睐。基于激光的多材料增材制造（AM）方法将不同的材料逐层组合成粉末吹制、送丝或粉末床配置，提供了连接多金属结构的独特功能。然而，冶金不相容金属之间的界面容易受到多材料增材制造界面熔合区形成的脆性金属间化合物（IMCs）引起的微裂纹的影响。不相容金属的一个典型例子是铝合金。由于铝原子的高化学反应性，它们在凝固过程中倾向于与其他元素结合，形成IMCs。涉及;Al;的;IMC，包括;Al3钛/铝钛、铝3Ni;和;Al13铁4/铝5铁2分别与Al-Ti、Al-Ni和Al-Fe合金体系的微裂纹和机械强度降低密切相关。通常利用热力学计算（例如相图计算，或CALPHAD）来预测IMC的出现，并设计一条梯度路径来绕过IMC成分。例如，采用Scheil-Gulliver模拟设计了由Ni-20Cr、Cr和V组成的梯度组成，用于连接不锈钢和Ti-6Al-4V，以及FeTi的有害相2/FeTi/铬2避免使用Ti。 ; 然而，基于CALPHAD的模型没有考虑三维聚变区的元素混合动力学和化学不均匀性，并且通常简化了成分向一维的转变。通过检查多材料增材制造中的锁孔振荡和熔池流动，研究了混合动力学。结果表明，反冲压力驱动锁孔尖端将材料向上推，并有效地将材料混合在锁孔尖端和熔池表面之间。马兰戈尼力还通过驱动从锁孔开口循环到熔池尾部的涡流来促进混合。在物质混合不足的情况下，融合区以鱼鳞、带状和分层的形式呈现出局部元素浓度。这些研究结合了计算流体动力学（CFD）模拟和异地熔融区元素映射的实验结果，交叉验证了元素混合的机理。此外，高速同步加速器X射线成像可以在数十微秒的时间尺度内直接观察熔池的瞬态动力学。单一材料的X射线成像证实了反冲压力和马兰戈尼力在熔池中产生涡流的作用。报道了Al-Sc-Zr系统的多材料X射线成像，但Sc和Zr的添加量太少，无法产生足够的对比度，无法清楚地显示混合动力学。 ; 混合动力学与IMC/裂纹特性之间仍存在知识差距。这些知识对于设计界面成分很重要，因为即使平均成分在冶金上是最佳的，局部异质性也会导致IMC和裂纹。在不同的激光焊接中，据报道，IMC位置受锁孔熔深的强烈影响。增强熔池流动可以将微观结构从IMC主导转变为IMC-共晶混合物，从而抑制微裂纹。对于多材料增材制造，激光功率和扫描速度显着影响化学异质性和冷却速率，优化激光功率和扫描速度可以抑制IMC的形成。然而，没有讨论混合动力学与IMC形态/分布之间的关系。我们还注意到，由于颗粒的存在，多材料增材制造中的混合动力学变得更加复杂，而在异种激光焊接中则不存在颗粒的影响。在熔池中掺入颗粒已被证明可以显着改变单一材料工艺的熔池流动，但没有报道对多材料工艺的影响。 为了进一步阐明元素混合、IMC特性和开裂之间的关系，我们进行了高速同步加速器X射线成像，以揭示激光粉末熔融过程中的混合动力学。通过X射线成像的直接观察，详细研究了粒子运动对混合动力学的影响。采用多物理场模型来支持对单元、IMC;和应力分布的理解。最后，融合区的异位微观结构和裂纹表征证实了X射线成像和建模结果。这项工作采用了带有铬镍铁合金;718;和不锈钢（SS）;316 L;颗粒的;Al6061;基板。结果主要显示了Inconel 718-Al6061混合物，以证明IMCs和裂纹的形成。 ; 该研究以Revealing the interplay between element mixing, intermetallics, and microcracks in multi-material laser additive manufacturing 发表在Additive Manufacturing ; 链接: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214860425003355?via%3Dihub ; 图1实验设置。（a）;Inconel 718;和不锈钢;316 L;粉末尺寸分布。（b）光束线设施说明。（c）单轨实验设置。（d）制备用于材料表征的样品，其中根据;X;射线成像和横截面结果检查熔池尺寸（L、W、D）。 图2用于CFD-CALPHAD-FEM耦合的多物理场仿真框架。 ; 图3用于;LED;外壳的高速同步加速器;X;射线成像。（a）显示锁孔（橙色虚线）的时间序列，以及材料混合和元素聚类。（b）开裂事件;#1，其中应用图像处理技术来可视化裂缝和熔池边界。（c）开裂事件;#2，其中裂纹在凝固后发生并导致颗粒飞溅。（d）显示;Cluster#1;坠入熔池并固定在聚变区的时间序列。所有比例尺均为;100;μm。 图4HED;案例的高速同步加速器;X;射线成像。（a）显示锁孔（橙色虚线）、材料混合、元素聚类和锁孔孔隙率的时间序列。（b）显示聚类#2和聚类#3的俯冲运动的时间序列。（c）时间序列显示;Cluster#2;被拖向锁孔尖端并被锁孔振荡分散。（d）时间序列显示集群;#3;被拖向锁孔开口并被锁孔振荡分散。所有比例尺均为;100;μm。 ; ; ; ; ; ; 图5对;X;射线成像中观察到的集群进行统计分析。（a;–;c）与图;1;和图;2;中的聚类;#1;-;#3;相对应的聚类轨迹。三角形表示聚类轨迹。在集群的第一个和最后一个跟踪帧处，熔池边界（虚线）和锁孔（实线）用蓝色和红色标记。（d，;e）聚类速度和大小作为聚类;#1;–;#3;的时间函数。（f、g、h）对;HED;和;LED;案例的集群活动时间、最大尺寸和最大速度进行统计分析。（i）融合区冷却后X射线图像中融合区灰度的伪彩色图，直方图（j）显示了像素中灰度值的分布。 图6LED;扫描轨道横截面的元件分布和微观结构表征。（a）从左到右，SEM图像以及Al、Ni和Fe与EPMA的元素映射。（b）（a）中绿框的放大SEM图像。（c-e）（b）中区域1;–;3的放大SEM图像。（f）（A）中粉红色盒子的放大SEM图像。（g-i）（f）中;4;–;6;区的放大;SEM;图像。十字符号表示;EDX;测量元素重量分数的位置。 ; ; ; ; ; ; 本研究阐明了多材料结构的LPBF中材料混合、IMC形成和微裂纹之间的关键相互作用。应用高速同步加速器X射线成像来揭示瞬态混合动力学。开发了耦合的CFD-CALPHAD-FEM建模框架，以演示单元组成、IMC、应力分布的集成建模。主要研究结果总结如下： ; 在研究的多材料LPBF的工艺条件下，出现了显著的元素聚类。这些簇是由颗粒/液滴坠入熔池中形成的，如果不分散，可以留在熔融区。团簇周围可形成IMC，在IMC密集分布的区域观察到微裂纹。 ; 确定了具有;LED;和;HED;条件的两种工艺方案。在;LED;情况下，由于元素混合不足，融合区被分为;ARZ;和;NRZ。NRZ富含IMC，ARZ和NRZ界面处会产生拉应力集中。这些因素导致;LED;状况频繁破裂。 ; 在;HED;案例中，由于有效的锁孔驱动混合过程，ARZ;和;NRZ;的划分并不那么明显。IMC分布较为稀疏，应力集中较不严重。这些因素导致没有开裂，但熔合区会形成锁孔孔隙。 ; CFD-CALPAHD-FEM模型可以与原位X射线和异位表征结果在熔池尺寸、元素分布和开裂位置方面进行定性关联。需要进一步努力结合颗粒运动、更复杂的材料系统和本构模型来定量预测开裂的时间/位置。 ; 研究结果强调，为了实现无缺陷制造，需要平衡熔池流动增强（以减轻元素聚集）和锁孔稳定性（以最大限度地减少孔隙率）。未来的工作应将先进的流量控制（例如超声波振动、光束振荡）与改进的模型相结合，以优化工艺参数和界面组成，从而能够稳健地生产高性能多金属结构。
Advanced Science：1458MPa 强度 + 21.2% 延展性！仿生双相多主元合金，无需后处理也能强韧兼备 2025-11-13 ; 多主元素合金(MPEA)在快速凝固过程中表现出极高的稳定性，使其成为增材制造的理想材料。但MPEA的失效往往与传统金属相似，其沿相或晶界的应变局部化导致典型的裂纹萌生。现阶段大多数方法是通过减少应变局部化、抑制高能位置的形成或者在裂纹尖端分散能量以增强韧性，很少实现强韧性的协同。 近日北京理工大学研究人员受小鼠牙釉质微观结构的启发，纳米体心立方(BCC)和面心立方(FCC)相被引入到MPEA中，稳定在相界上，为位错介导的变形提供了充足的塑性空间。这种方法克服了纳米级合金的局部硬化限制，并协调了传统的增韧机制，以减轻应变局部化。该研究以“Mitigating Strain Localization via Stabilized Phase Boundaries for Strengthening Multi-Principal Element Alloys”为题被发表在期刊《Advanced Science》上。 文章链接： https://doi.org/10.1002/advs.202414783 【核心内容】 该研究为解决多主元合金（MPEA）应变局部化导致的强度与韧性难以兼顾问题，借鉴了老鼠牙釉质“软硬交替纳米片层”结构，设计并制备出双纳米相的新型合金AM-Nano，通过稳定相界面实现性能突破，其拉伸强度和延伸率分别约为1458.1MPa和21.2%，强塑积约30.91GPa・%。 【研究方法】 该研究基于凝固热力学计算方法确定了合金的成分为Co17Cr16Fe16Ni34Al17，采用激光粉末床熔融（L-PBF）制备出了含FCC/BCC双纳米相的AM-Nano合金，同时制备铸造粗晶、温轧退火超细晶样品作对比。通过XRD、EBSD和TEM来表征微观结构，原位SEM/EBSD观测拉伸中变形与应力分布。用LAMMPS进行分子动力学模拟追踪位错转移，VASP开展密度泛函理论计算分析相界应力缓解机制，同时结合Ashby图量化性能优势，验证合金设计与强化机制。 【研究成果】 ①;力学性能突破 该研究制备的AM-Nano合金拉伸强度和延伸率分别达到了1458.1MPa和21.2%，强塑积为30.91GPa・%，能量吸收能力相比于传统合金被显著提升，其强韧性的平衡优于多数多主元合金、先进高强度钢和钛合金，避免了传统纳米结构金属“强而脆”的问题。 Co17Cr16Fe16Ni34Al17多主元素合金微观组织和拉伸力学性能 ②;核心机制揭示 双相稳定相界促进了位错在FCC和BCC相之间的持续转移，减少了晶格缺陷堆积和应变集中。另外，其通过裂纹偏转以及桥接作用耗散了裂纹扩展能量，可显著缓解应变局部化，原子计算证实了部分原子面迁移驱动位错跨相传递。 AM-Nano减轻应变局部化和微裂纹过程 在应变不同的情况下，AM-Nano的半原位TEM和大规模分子动力学模拟结果 AM-Nano在拉伸变形过程中的力学响应和失效模式 AM-Nano相边界的DFT稳定性评估 【总结与展望】 该研究通过借鉴老鼠的牙釉质结构并使用激光粉末床熔融技术制备出含FCC/BCC双纳米相且相界稳定的多主元合金AM-Nano，打破了MPEA的强韧性矛盾，不需要后处理并且性能相较于多数传统合金更优，为仿生高性能材料设计与增材制造应用提供新方向。
热处理策略提升增材制造高强度钢的抗氢脆性能-昆士兰大学 Materials Science and Engineering: A 2025-11-05 ; https://doi.org/10.1016/j.msea.2025.149125 背景 随着增材制造（AM）技术在高强度钢领域的应用不断拓展，其氢脆（HE）敏感性逐渐成为制约服役性能的关键问题。由于 AM 工艺形成的显微组织与传统工艺存在显著差异，氢在材料中的作用机制及其与组织特征的关系仍缺乏系统理解，尤其是氢陷阱特征对氢脆行为的影响尚不明确。以超高强度中碳低合金钢 AISI 4340 为代表的材料，因其在航空航天和国防领域的广泛应用，亟需探索通过热处理调控抗氢脆性能的有效路径。 亮点 近日，昆士兰大学研究团队在国际知名期刊Materials Science and Engineering: A;上发表最新成果，系统研究了;AM 制备的 AISI 4340 钢在不同回火温度（205 ℃，315 ℃;&;425 ℃）下的氢脆行为。研究发现： 低温回火（205 ℃、315 ℃）;保持贝氏体组织并促进细小碳化物析出，提高了氢陷阱能力，从而在氢环境下保持更高的强度和延展性； 中温回火（425 ℃）;促进位错回复并降低氢在材料中的聚集，使氢扩散能力增强，显著改善了抗氢脆性能。 结果表明，在氢环境中回火;425 ℃ 的样品仍保持约 1200 MPa 的屈服强度，仅表现出 5% 的抗拉强度下降和 64% 的延伸率下降，性能远优于未经回火的样品。该研究强调了氢陷阱特征在氢脆机理中的核心作用，并为 AM 高强度钢的热处理优化提供了新的思路。 ;图 1.; ;(a)代表性LIST电位降与施加应力数据曲线，其中“绿色圆圈”标示屈服区域。(b) 比较增材制造AISI 4340钢与不同回火温度处理钢的氢脆指数, I_ductility及氢敏感指数I_strength。除425℃回火试样外，其余试样因氢诱导断裂导致无法测定屈服强度（YS）。但回火处理显著提升了抗氢脆能力。因此，所有回火试样的抗拉强度均高于氢富集环境下直接3D打印试样（图1b）。相较于未回火状态，315℃和425℃回火处理还显著提高了试样的伸长率（EL）。 如图1a所示，T425试样经425°C回火后，甚至能测得屈服强度（YS，约1200 MPa），其屈服区域由绿色圆圈和红色线条标注。这表明该钢种即使在氢环境中也能恢复塑性。测得的T425延展性指数I_ductility约为63.7%，较增材制造试样（I_ductility为78.5%）降低约20%。T425试样抗拉强度I_strength的下降更为显著，较增材制造试样30.8%的值降低约7倍至4.7%。这表明T425在富氢环境中强度损失极小。这些发现凸显了回火处理对氢脆敏感性的重大影响，可有效提升抗氢能力。尤其值得注意的是，钢材在氢环境中发生塑性变形具有积极意义，这能有效防止材料发生突发性失效。 ; 图2.;回火温度对增材制造4340钢氢扩散行为的影响。图中呈现了归一化氢渗透瞬态曲线，显示衰减与积累过程（图2a和b），对应的平均有效扩散系数D_eff（图2c）以及平均亚表面氢浓度C_H（图d）。 结果表明，205℃和315℃回火对增材制造钢的扩散系数影响甚微。原始试样、T205和T315试样的有效扩散系数（D_eff）相当，其中T315试样表现出最低的D_eff值（5.35×10⁻⁵;mm²/s）。425℃回火显著加速了稳态过渡，如陡峭的渗透曲线（图2a和b）所示。这表明T425试样中氢扩散速率大幅提升，对应测得的最高有效扩散系数达9.96×10⁻⁵;mm²/s。另一方面，测得的亚表面氢浓度(C_H)与D_eff呈反比关系。原始试样与T205试样的C_H值分别为4.54 ppm和4.84 ppm;(mol/m³)，两者相当。T315材料表现出最高的C_H值（6.87 ppm），而T425材料则呈现最低的C_H值（3.83 ppm）。 ;图 3.; 为深入探究不同钢材在氢致行为差异的成因，采用TDS技术对氢捕获类型及含量进行了定性与定量评估。 图3所示的TDS结果揭示了增材制造的4340钢中存在显著的氢捕获行为差异。低温脱附峰（图3d）普遍存在于所有试样中，对应扩散氢在弱可逆位点（如位错、低角晶界、空位及各类碳化物与相界面的结合处）的捕获。高温峰（图3e）出现在200°C以上，归因于不可逆捕获位点，如高角晶界、基体-碳化物界面及碳化物内部缺陷。在回火试样中，T315样品表现出最高总氢浓度（6.43;wt. ppm），表明该温度回火引入了大量氢捕获位点。相反，T425样品呈现最低总氢含量（1.24;wt. ppm），表明高温回火后捕获能力降低。 通常氢浓度（C_H）越高，越易发生氢脆。然而LIST测试结果却揭示出矛盾现象：尽管C_H值较高，T315试样相较于原始制造状态及T205试样展现出更强的热脆性抗性。这种看似矛盾的结果（即高C_H值下仍具低热脆性敏感性）并非新发现，已有数项研究对此进行过报道。显然，氢致脆性是一种复杂现象，其若干方面仍有待阐明。本研究中，该现象可归因于315℃回火工艺的双重效应：该处理可能形成高密度新捕集位点，这些位点虽增加了测定总氢含量，但通过均匀分布氢原子并阻止其在关键应力集中区域聚集，有效削弱了可扩散氢的危害性。与此同时，回火处理带来的延展性提升进一步增强了材料的抗氢脆能力。这表明捕获位点的分布特性比总氢含量本身对氢脆行为更具决定性影响. 图4.;展示了经降噪处理的XRD光谱，结果表明所有试样在相组成上均无显著差异。主要相为α-铁素体。值得注意的是，与其他测试试样相比，T425试样呈现更窄更锐利的衍射峰，表明其晶体缺陷更少且微观结构恢复程度更高。放大观察图4中62.5°至67.5°及80°至85°间的峰值可见，T205和T315试样相较于原始试样及T425试样，其峰位显著向低角度偏移（如图中红箭头所示）。这种向低角度的偏移可归因于205℃和315℃回火过程中残余应力释放导致的晶格膨胀。相反，425℃回火促进了更广泛的碳化物析出，从而降低了贝氏体铁素体中的碳过饱和度，进而减小晶格参数并使衍射峰重新偏移至高角度。 图 5.; 透射电子显微镜表征显示，所有试样均呈现贝氏体微观结构，其中片状组织形态并非严格平面状。对贝氏体片状组织（图5c，g;&;k）的观察发现，片状结构内部存在以特定角度平行分布的纳米级析出物，表明其具有低贝氏体特征。该微观结构很可能是增材制造过程中快速冷却与自回火共同作用的结果。后续低温回火对碳化物形态影响有限。SAED分析证实沉淀相为渗碳体，与周围铁素体基体存在明确的取向关系（ORs）。透射电子显微镜结果证实，回火4340钢中碳化物的尺寸和数量均随回火温度升高而变化。与锻造状态相比，在205和315℃回火的试样中碳化物数量增加（图5g和k），而在425℃回火的试样中碳化物尺寸显著增大°C的试样中，碳化物尺寸显著增大（图5o），其尺寸约为制造状态的3至5倍（~10nm与~50nm）。 本研究系统研究了回火温度（205 ℃，315 ℃和425 ℃）对增材制造超高强度 AISI 4340 钢氢脆敏感性的影响，首次揭示了通过调控回火工艺可有效提升;AM 高强钢的抗氢脆性能。结果表明： 425 ℃ 回火样品：;在氢环境下仍保持高屈服强度（~1200 MPa），抗拉强度仅下降 5%，表现出最优的氢扩散能力和最低的氢浓度，说明其对氢的吸收能力较低，且未被俘获的氢可快速扩散，从而显著降低氢脆敏感性。 315 ℃ 回火样品：;具有更高的氢陷阱密度和氢浓度，在强度与硬度保持相对稳定的同时，抗氢脆性能优于未回火与低温回火样品。 不同温度下的主导氢脆机制差异明显：低温回火及未回火样品同时受;HEDE 与 HELP 机制主导，而中温回火样品主要受 HELP 控制。 进一步分析表明，抗氢脆性能受氢扩散能力、陷阱特征与氢浓度的协同作用支配。高晶格扩散系数(D_L);，合理的陷阱–汇平衡（即不可逆陷阱比例高、可逆陷阱少）通常有利于提升抗氢脆性能，但必须与材料的总氢含量结合考虑。例如，尽管 T315 样品的氢浓度较高，但其丰富的有效陷阱和较低的扩散阻滞效应仍赋予其优于未回火样品的抗氢脆性能。而;T425 样品则在三方面同时达到最优（高晶格扩散系数、低氢浓度、不可逆陷阱占主导），展现出最佳的抗氢脆性能。 本研究不仅阐明了氢陷阱特征在调控氢脆行为中的关键作用，还强调了需要从氢迁移性、陷阱特征与氢浓度的整体视角评估氢脆敏感性，为通过热处理优化增材制造高强钢在氢环境下的服役可靠性提供了新的思路和理论依据。 研究团队简介 通讯作者：谭启玚,;Jeffrey Venezuela和张明星教授为本文共同通讯作者。 张明星澳大利亚昆士兰大学机械与矿业工程学院教授，2003年至今在昆士兰大学任教。张明星教授的研究兴趣包括金属和MAX相材料的增材制造，高熵合金，通过机器学习进行新合金设计以及晶体学在工程材料中的应用，金属表面工程以及铸造金属的晶粒细化。截至2025年9月，他发表学术论文约350篇，H-index=80，总引用19400多次，h10-index=234，论文分别发表在Progress;in Materials Science,;Acta;Materialia,;Scripta Materialia,;Corrosion Science,;Metallurgical and Materials Transactions A/B等国际知名期刊。 第一作者：姚桔，昆士兰大学材料工程专业博士。主要从事高强度低合金钢的增材制造及其氢脆行为研究。参与相关科研项目的研究工作，并在Additive Manufacturing，Corrosion Science，Materials Science and Engineering: A;等国际知名期刊发表学术论文。
加拿大阿尔伯塔大学曾宏波教授等：贻贝角质层颗粒启发金属有机框架衍生纳米复合涂层用于智能腐蚀控制 2025-10-28 ; 将金属基材和水性介质物理隔绝的超疏水涂层成为一种有前景金属防腐蚀策略，但其实际应用受限于在严苛环境中的机械耐久性差和性能快速退化。 近日， 加拿大阿尔伯塔大学曾宏波教授、 中南林业科技大学李新功教授、湖南大学刘娅莉教授和黔南民族师范学院罗小虎副教授等人在Science China Materials发表 研究论文，受贻贝角质层颗粒结构和动态金属配位化学的启发，使用金属有机框架（MOF）作为多功能纳米平台，在钢基材上构建了一种集表面超疏水性、自修复防腐和损伤监测能力于一体的分级金属配位介导自适应涂层（SC）。 本文要点 1); 在低碳钢表面通过配位-溶解-聚合机制构建了金属有机框架-聚多巴胺（MOFs-PDA）纳米复合涂层，MOFs作为自牺牲模板引发聚多巴胺的沉积，随后通过迈克尔加成和希夫碱反应进行疏水化后获得SC。 2); SC 的超疏水表面具有 160° 的水接触角，提供了优异的腐蚀介质被动屏障，保护效率达到 97.5% 。此外， MOF- 聚多巴胺中间层通过在暴露的钢表面形成保护性吸附膜，赋予 SC 优异的腐蚀触发自修复性能，从而防止 SC 因机械损伤而快速失效。 3); 在此基础上，聚多巴胺组分的光热性能使破损涂层在光照下快速产生温度梯度，从而可以通过红外热成像进行早期损伤检测。 这项工作提出了一种仿生策略用于开发兼具超疏水性、自修复和实时损伤感知的智能防腐蚀涂层，推进了MOF衍生材料在防护涂层中的应用。 Figure 1.;Schematic illustrations of (a) fabrication route; (b) protective mechanism of the self-adaptive coating: (I) when the air cushion on the surface of the self-adaptive coating is intact, the surface superhydrophobicity avoids the permeation of corrosive media; (II) the self-adaptive coating loses its superhydrophobicity, and the MOF-PDA interlayer serves as a temporary barrier layer to restrict permeation of corrosive media; (III) the defected self-adaptive coating responds to the corrosion-triggered local pH changes and protects the exposed steel by forming a new protective film; (IV) the adsorption of cobalt hydroxides, 2-methylimidazole (2-MeIM), and PDA molecules on mild steel; (c) the damage detection using an infrared thermal imager. Figure 2.;SEM images of (a) α-Co(OH)2, (b); Co-ZIF-67-1 min, ;(c); Co-ZIF-67-3 min, ;(d); Co-ZIF-67-5 min, ;(e); Co-ZIF-67-10 min, ;(f); Co-ZIF-67-15 min, ;(g); Co-ZIF-67-12 h, ;(h) Co-ZIF-67@PDA, and (i) SC; (j) optical photo of the coatings. Figure 3.; Optical pictures of water contact angles and structural illustration for (a1, b1); Co-ZIF-67-5 min, ;(a2, b2) Co-ZIF-67@PDA, and (a3, b3) SC;;(c) comparison on average values of water contact angle on the surface of the prepared samples; (d) self-cleaning property (colorant: Ni(NO3)2) and silver mirror phenomenon of SC; sequential photographs of (e) the water droplet in contact with and then leave from the SC surface and (f) the water droplet contacting with a moving steel plate coated with SC (the arrow indicates the direction of movement). Figure 4.;Bode modulus and phase plots of the scratched (a1, a2); Co-ZIF-67-5 min, ;(b1, b2) Co-ZIF-67@PDA, and (c1, c2) SC after immersion in 3.5 wt% NaCl for different periods; evolution process of the low frequency impedance for the scratched (a3); Co-ZIF-67-5 min, ;(b3) Co-ZIF-67@PDA, and (c3) SC;;(d) comparison on self-healing properties of SC with previously reported coatings (the ambient temperature denoted as; 25 °C); ;(e) schematic illustration of self-healing anticorrosion mechanism for SC. 【作者简介】 Chengliang Zhou;(周城良);received his Bachelor’s degree in applied chemistry from Hunan Agricultural University. He received a PhD degree in chemical engineering and technology from Hunan University. His research focuses on bioinspired design and fabrication of self-healing nanocomposites and biobased polymer materials, with applications in functional coatings and smart corrosion control. Xiaohu Luo;(罗小虎);is currently an associate professor at the School of Chemistry and Chemical Engineering, Qiannan Normal University for Nationalities, and is the director of the Engineering Research Center of Lose Efficacy and Anticorrosion of Materials of Guizhou. His research focuses on green and highly efficient corrosion inhibitors and multifunctional coatings. Yali Liu;(刘娅莉);is a professor at the College of Chemistry and Chemical Engineering, Hunan University. She is the deputy director of the Technical Committee on Coating and Surface Protection Technology, Chinese Society for Corrosion and Protection. Her research focuses on metal corrosion and protection, functional and smart coatings, surface treatment, and biobased polymer materials. Xingong Li;(李新功);is currently a professor at the College of Materials and Energy, Central South University of Forestry and Technology. He has received the honorary title of “Young and Middle-aged Experts with Outstanding Contributions” and has been selected in the National Millions of Talents Project in the New Century and the Hunan Provincial “121” Talent Project. His research focuses on interfacial design and fabrication of green and multifunctional composite materials. Hongbo Zeng;(曾宏波);is a professor at the Department of Chemical and Materials Engineering, the University of Alberta and a Tier 1 Canada Research Chair in intermolecular forces and interfacial science, and he is recognized as a Fellow of the Royal Society of Canada’s Academy of Science, the Canadian Academy of Engineering, and the Royal Society of Chemistry. He received his BSc and MSc degrees at Tsinghua University, followed by a PhD degree at the University of California, Santa Barbara. Zeng’s research interests are mainly in colloid and interface science, functional materials & nanotechnology, with a specific focus on the intermolecular and surface interactions in soft materials (e.g., polymers, biopolymers) and engineering processes. 文章信息 Chengliang Zhou, Yongxiang Sun, Pan Huang, Xingong Li, Hongjian Zhang, Mingfei Pan, Xiaohu Luo, Lu Gong, Yali Liu, Hongbo Zeng.;Mussel cuticle granule-inspired nanocomposite coating derived from metal-organic frameworks for intelligent corrosion control.;;Sci. China Mater. ;(2025). https://doi.org/10.1007/s40843-025-3572-6 ;
Corrosion Science：利兹大学开发出NX-DRT原位成像衍射流动池技术，对腐蚀实现无损可视化检测 2025-10-28 ;腐蚀被称为“静悄悄的破坏者”，每年造成的经济损失超过全球GDP的3%。尤其在油气输送中，低碳钢因性价比高而广泛使用，但其在含CO2和盐水环境中极易发生点蚀与穿孔。传统扫描电镜或表面分析手段只能观察表层腐蚀形貌，无法捕捉到涂层下的微观退化机制。研究团队因此希望开发一种非破坏性、可原位监测、能同步获得三维结构与相变信息的新型腐蚀观测平台。 2025年10月13日，英国利兹大学Adriana Matamoros-Veloza博士作为通讯作者在《Corrosion Science》期刊发表了题为“Integrated In-situ Imaging and Diffraction Flow Cell Technology (NX-DRT) for Advanced Corrosion Studies”的研究论文，团队提出了一种结合中子与同步辐射X射线成像与衍射的三电极原位流动池技术（NX-DRT），实现了在腐蚀过程中对钢铁材料的三维形貌、相变及孔隙演化的实时监测，打破了腐蚀研究“只能看到表面”的局限。 文章链接： https://doi.org/10.1016/j.corsci.2025.113417 【核心内容】 该研究团队提出的NX-DRT三电极原位流动池系统结合了中子的高穿透性与同步辐射X射线的高分辨率，能在腐蚀反应的过程中实时捕捉金属的微观结构演化与相变行为。利用了NX-DRT平台开展原位腐蚀实验，实现了钢基体体积损失、腐蚀膜厚度与孔隙分布的三维定量重建，并揭示了膜内非均质结构与点蚀萌生之间的耦合机制。 油气管道内部腐蚀类型示意：（a）均匀腐蚀；（b）CO₂诱导的点蚀 【研究方法】 设计的NX-DRT流动池集成了中子衍射、X射线成像与电化学控制，流动池窗口必须对中子和X射线具有低散射和高透射率，以确保高信噪比。固定在光束线级上的单元支架应与单元直径匹配，以保持成像分辨率。 ; 顶部和底部由HTM140材料制成，能够承受高达140℃的温度，流动电池窗口由定制的Kapton管制成，除了对中子和X射线透明外，还可以抵抗高达400℃的温度，电池的底部有一个入口以容纳工作电极，以及一个孔以插入携带电解液的管子。 NX-DRT流动池设计与组装结构示意图 整体设计可实现0.2m/s循环流速的电解液流动，结构可兼容中子与X射线实验，能在旋转扫描过程中保持密封，实现360°无死角成像，兼顾了中子高穿透性与X射线高分辨率的互补特性。 该研究选择API 5L X65钢材为工作电极，这是一种是符合美国石油学会API 5L标准的低合金钢，主要用于油气输送管道、海洋工程及化工领域，这一材料在CO2盐水环境中极易发生点蚀，并基于NX-DRT平台同步监测材料在3.5% NaCl或CO2饱和溶液中的腐蚀过程。 原位腐蚀实验系统示意 【研究成果】 ① 中子原位三维成像揭示钢材腐蚀动力学 清晰捕捉了钢材在氧化腐蚀过程中的材料流失与腐蚀产物生长时序演化： 腐蚀1小时后在铜线界面率先出现局部腐蚀现象； 4小时后，局部腐蚀已发展成为明显的深坑结构，样品总体积减少约31%，并生成厚度不等的氧化层。 这一结果成功实现了在无需破坏样品的条件下定量分析钢内部的腐蚀速率与形貌演变，是一种对针对腐蚀行为的无损四维（3D+时间）成像新路径。 基于中子透射图像的样品氧化腐蚀时间演化（0、1、3、4小时） 基于中子断层重建的三维腐蚀演化过程：红色为腐蚀产物，绿色为钢/铜区域 ② 同步辐射X射线成像揭示CO2蚀膜结构与孔隙特征 ; 团队针对钢材在CO2环境下的腐蚀进行了原位成像，在腐蚀三小时后，钢材表面的碳酸铁（FeCO3）腐蚀膜厚度约10µm，并且膜层内部存在大量相互连通的孔洞与裂纹，此时钢材约损失了1%的体积，同时腐蚀膜内孔隙约占10%的体积，这种膜-孔双重结构的原位可视化能够清晰揭示CO2点蚀的早期形成机制。 同步辐射X射线层析结果 ③ 三维点蚀定量分析实现微米级腐蚀形貌测绘 团队对在CO2环境中腐蚀的钢材样品进行微观点蚀测绘，一共测绘了22个独立腐蚀坑，这些腐蚀坑的最大深度为27.5µm，平均深度约7µm，该平台的三维重构能够实现对单个点蚀坑体积、面积及深度的定量化描述，为未来腐蚀防护机理模型提供了模型工具。 点蚀三维形貌重建与定量测绘结果 【总结与展望】 该研究提出的NX-DRT流动池，将成像-衍射-电化学集于一体，是一种能够无损检测腐蚀发展的原位检测平台。该技术不仅适用于钢铁腐蚀研究，在合金退化、涂层失效、储能电极反应等多领域具备充足的可推广性，将来该技术有望推动原位腐蚀科学进一步向“可视化、定量化、多维化”的变革。
Acta Materialia：中科院金属所团队刷新钢铁疲劳强度新纪录！ 2025-10-27 ;疲劳强度相比于屈服、抗拉、抗弯、剪切等强度而言有时候往往会被人忽略，相比之其他强度所代表的失效形式，疲劳失效要出现的更加隐秘，更加难以预测。大多结构件在实际服役期间都难以避免受到周期性的应力，因此疲劳强度是结构件长期服役稳定性的制约因素之一。尽管现阶段已有大量高强合金的抗拉强度已超过3GPa，达到了极高的水平，但其疲劳强度长期徘徊在1GPa以下难以突破。对于轴承钢而言，非金属夹杂物是疲劳裂纹的主要萌生源，其脆性开裂或界面分离会显著降低疲劳寿命。 近日中科院金属所的研究团队联合美国加州大学伯克利分校的Robert O. Ritchie教授，成功地在高碳铬轴承钢GCr15中实现了1130MPa的疲劳强度，刷新了钢材的最高疲劳强度纪录，目前这一突破性成果已在材料领域国际期刊《Acta Materialia》上在线发表，题为“The highest fatigue strength for steels”，在该论文中团队阐述了如何在高碳铬轴承钢GCr15中，通过精确调控微观结构与缺陷，突破疲劳强度极限，为高强钢在极端服役条件下的应用提供了新思路。论文的通讯作者为中科院金属所的张鹏研究员、李殿中院士、张哲峰研究员和美国加州大学伯克利分校Robert O. Ritchie教授。 ; ; 文章链接： https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.120888 【核心内容】 该研究以GCr15轴承钢为研究对象，通过添加微量稀土元素提升夹杂物塑性，避免其脆性断裂，同时构建了可剪切的夹杂物与基体界面结构，增强协同变形能力，并调整热处理工艺，实现抗拉强度与塑性的协同优化和降低夹杂物处疲劳开裂风险。在应力比 R=-1 的拉压载荷条件下，该GCr15轴承钢在107循环下的疲劳极限达到1103MPa。研究通过有限元模拟，验证了夹杂物的尺寸、类型等因素对应力集中的影响，所提出的技术策略依托现有工业技术即可实现，为其他高强度金属材料疲劳性能的优化提供了切实可行的方案 疲劳性能对比与优化结果 【研究方法】 该研究通过真空熔炼掺杂稀土元素，将掺杂稀土元素制备的钢材命名为RER钢，并以传统的电渣重熔工艺制备的GER钢作为对照组。试样在850℃下奥氏体化30min后进行油淬火，随后分别在不同温度下回火2h后进行机械加工和抛光，用以表征夹杂物的形貌特征及其与基体的界面结合情况，并通过拉伸实验和R=−1的拉伸-压缩高周疲劳实验评估材料的力学性能。 拉伸（上）和高周疲劳（下）实验的试样尺寸 【研究成果】 ① 夹杂物类型及结构显著改善 在RES钢中，夹杂物中出现了稀土复合氧硫化物（RE2O2S），该夹杂物表现出软硬协同的结构，且界面出现了稀土修饰层（REDL），而在GER钢中，其夹杂物主要为脆性的Al2O3和TiN，在变形时易率先开裂成为疲劳裂纹源。 疲劳断裂源区SEM形貌与夹杂物EDS分析 夹杂物内部STEM微观结构表征 基体-夹杂物界面原子尺度分析 界面几何必需位错密度分布 ② 控制夹杂尺寸与形貌，降低应力集中 Al2O3与TiN受本身的脆性属性限制，易造成应力集中，同时，它们倾向于在界面处形成，一旦开裂就有可能引发连锁反应，使疲劳裂纹迅速发展，严重降低了钢材对疲劳环境的抗性。而稀土复合夹杂物主要分布在基体中，不易在界面造成应力集中引发裂纹，此外，RES钢中夹杂物整体尺寸更小（≤5μm），数量也显著减少，进一步减少了应力集中的概率。 夹杂物三维形貌与尺寸分布统计 夹杂物应力集中有限元模拟 ③ 热处理调控组织，实现强度与塑性的协同 通过回火温度的调控（160-500℃），团队研究发现在240℃回火时钢材内部保留的残余奥氏体含量大幅减少，回火马氏体与碳化物的协同作用提升了均匀延伸率，最终在RES-T240钢中实现了1103MPa的疲劳强度，刷新了以往的纪录。 不同回火温度下的TEM组织演变 力学性能与相组成关联分析 【总结与展望】 在这项研究中，将钢的疲劳强度极限突破至1103MPa，为其他高强金属材料的疲劳优化提供了可行范式，且该策略可依托于成熟的工业工艺实现，因此有较大的工业可推广性，具备广阔的工程应用前景，尤其在航空航天、高速铁路和精密轴承领域意义重大。
PNAS：冰封之下的“生锈”现象 2025-10-27 ; 《美国国家科学院院刊》近期发表的一项研究，通过实验模拟，探究了冰冻环境中氧化铁纳米矿物的溶解过程。研究发现，冰并非惰性物质，而是一个高效的化学反应器。结冰过程会将矿物、有机物和酸性物质浓缩在冰晶间的微型液态水中，这种“冰冻浓缩效应”极大地促进了铁的溶解。这一发现为理解永久冻土、酸性土壤等冰冻环境中铁的迁移提供了关键机理，并有助于解释气候变化加剧的冻融事件如何向自然界释放更多可溶性铁。 当我们想到冰，脑海中浮现的往往是静止与封存的景象。然而，最新的科学研究揭示了一个令人惊讶的事实：在冰冷的、看似沉寂的世界里，冰本身就是一个高效的化学反应器，能够以前所未有的方式驱动化学变化。这一发现对于理解全球气候变化如何影响地球的生态系统至关重要，尤其是在解释北极（Arctic）地区河流为何出现“生锈”现象等问题上。铁是地球上一种至关重要的元素，是无数生命过程的基础。在自然界中，大部分铁以不溶于水的矿物形式存在，例如针铁矿。生物体要想利用铁，必须先将其转化为可溶性形态。传统上，我们认为这一转化过程在温暖的液态水中更为活跃。但一项新研究彻底颠覆了这一认知，它聚焦于冰冻环境中铁的溶解过程。 研究人员发现，当含有微小针铁矿颗粒、有机物（如广泛存在于土壤中的草酸盐）和酸性物质的水开始结冰时，一个奇妙的过程便发生了。纯净的水分子会优先形成冰晶，而水中的杂质——矿物颗粒、草酸盐和带来酸性的质子——会被排挤到冰晶之间尚未冻结的微小液态水区域中。这个过程被称为“冰冻浓缩效应”。它将原本分散在大量水体中的反应物，高度集中在这些冰晶间的微型液态“口袋”里。浓度急剧升高，极大地加速了化学反应的速率。在这种高度浓缩的酸性环境中，草酸盐能更有效地从针铁矿表面“抓取”铁离子，使其溶解进入液态水中。这个过程甚至在零下30°C的低温下依然能够进行。 在某些条件下，冰的“工作效率”甚至超过了温暖的液态水。实验数据显示，在高浓度有机物存在时，零下10°C的冰溶解的铁比4°C的液态水还要多；而在低浓度有机物条件下，其溶解的铁甚至超过了25°C的液态水环境。这表明，冰冻浓缩带来的反应增强效应，完全压倒了低温导致的反应速率减慢效应。 此外，研究还揭示了其他关键因素的影响。例如，高盐度（类似海水）会抑制铁的溶解，因为盐分析子会与有机物竞争矿物表面的反应位点。而反复的“冻融循环”则会进一步促进铁的释放。每一次融化都会让之前被锁在冰晶内部、未能参与反应的有机物重获自由，待下一次结冰时，这些“生力军”便会加入到新一轮的浓缩反应中。 这些发现有助于我们理解全球广阔的冰冻圈（Cryosphere）中的地球化学过程，无论是酸性硫酸盐土壤、大面积的永久冻土（permafrost），还是悬浮在大气中的尘埃气溶胶。例如，飘浮到极地海洋上空的含铁尘埃在冰冻的云层中，可能会通过这一机制释放出更多可溶性铁，从而影响海洋的初级生产力。随着全球气候变暖，冻融循环日益频繁，永久冻土加速融化，这一由冰驱动的铁释放机制正变得愈发重要。它有助于解释为何在融雪和冰川融化期间，我们会在自然流域中观测到可溶性铁通量的增加。这项研究不仅揭开了冰封之下隐藏的化学奥秘，更为我们评估气候变化对地球元素循环和生态系统健康的影响，提供了宝贵的科学依据。 ; 文章链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2507588122 (2025) ;
断裂力学权威期刊综述：临氢合金断裂韧性影响因素与预测模型 2025-10-27 ; 氢能是一种清洁、低碳、高效的二次能源，正逐步成为全球能源结构转型的重要载体之一。高压气态氢是氢气最常用的储运形式。然而，大多数工程材料在氢气环境中力学性能显著下降，即氢脆（Hydrogen Embrittlement, HE），这一问题是制约氢储运装备安全运行的核心难题。 与拉伸和疲劳性能相比，临氢合金的断裂韧性是衡量材料抵抗裂纹萌生与扩展的关键断裂力学参数，对工程结构安全设计、材料研发和事故预防至关重要。根据国内外相关标准，输氢管材的断裂韧性要大于55 MPa·m0.5，以确保管道的结构完整性。 针对上述问题，中山大学李新锋课题组联合国内外知名机构在断裂力学权威期刊Engineering Fracture Mechanics发表题为“Review of hydrogen embrittlement effect on fracture toughness of metallic materials: Influencing factors, and predictive models”的长篇综述论文（48页），系统总结氢对金属材料断裂韧性的影响因素及预测模型，核心内容包括： 1. 断裂韧性测试方法的最新进展 ; 综述国内外主流断裂韧性测试技术，重点分析单边缺口弯曲（SENB）试样在氢环境下的适用性与发展趋势。 2. 氢对典型金属材料断裂韧性的影响 ; 系统总结了氢对输氢管线钢、储氢压力容器用钢等常用结构材料断裂韧性的削弱效应，并提出优化建议。 3. 临氢合金断裂韧性的关键影响因素 ; 深入探讨微观组织特征、加载速率、氢压/氢浓度、温度等多因素耦合作用对断裂韧性的影响规律。 4. 临氢合金断裂韧性的预测模型 ; 总结并对比HEDE、HELP及其协同模型（HELP+HEDE）下的多种断裂韧性预测模型，并明确其适用范围与失效准则。 ; ; 目前，李新锋课题组围绕临氢合金氢脆机理、评估和寿命预测研究方向，发表4 篇高水平综述论文，相关论文信息如下： Li et al., Engineering Fracture Mechanics, 2025, 111392. Li et al., International Journal of Hydrogen Energy, 2024, (72), 74-109.（高被引） Li et al., Journal of Materials Science & Technology, 2022, (122), 20-32.（优秀论文） Li et al., Acta Metallurgica Sinica (English Letters), 2020, 33 (6), 759-773. （高被引） 图1 断裂韧性与试样厚度的关系 图2 代表性的J-R阻力曲线（包括实验数据点、构造线和限制边界） 图3 断裂韧性对加载速率的依赖性 图4 不同氢压/氢浓度下合金的断裂韧性 ;
马氏体钢韧性再突破！清华大学与天津大学联合在《Scripta Materialia》发表最新研究成果 2025-10-27 ;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://doi.org/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 ③ 强韧协同的来源：界面位错与反向应力 ; 与双相钢不同的是，在双相钢中，铁素体晶粒中的GND可以通过滑动而降低材料的屈服强度，而在该研究中的MDM区域，其固有的高位错密度限制了GND的迁移，从而保持了Het样品的高屈服强度。此外，MDM与MEM之间的硬度差异引发变形过程中的应变分配，界面处累积的GNDs产生反向应力，有效延缓了颈缩的发生，因此，Het样品不仅屈服强度更高，还展现出优于均质对照组的延展性。 原位拉伸下应变分配与反向应力演化 【总结与展望】 综上所述，由于猛在渗碳体颗粒中分布的不均一性，通过快速退火工艺可以催生两类马氏体结构，从而在极低的残余奥氏体含量下，不依赖TRIP效应，同时改善钢材的强度和塑性，这一成果为低合金马氏体钢的设计提供了更简洁可行的新路径，也为汽车用高强钢等工程应用开辟了新的可能性。
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