轻质高性能钢一直是汽车与航天航空领域所追求的材料，这里的高性能一般泛指高强度和良好塑性之间的组合，但传统的沉淀强化或相变强化虽能提升强度，但往往牺牲塑性。因此，如何在保证良好塑性的同时实现超高强度，一直是材料科学领域的核心难题。近年来，开始有人提出通过构建异质结构（heterostructure）实现强塑协同提升，且已经在一些合金体系内得到了验证，但如何通过精细化调控在钢材体系实现最佳强塑协同，仍缺乏系统理论与实验验证。

四川大学黄崇湘教授团队联合香港城市大学马晓龙教授、中国钢铁研究总院曹文全研究员近日在《Journal of Materials Science & Technology》期刊在线发表题为“Heterostructure optimization reshapes the strength-ductility synergy in a lightweight steel”的最新研究论文，团队通过异质结构设计与异质单元尺寸优化的协同调控，实现了轻质钢在1441MPa超高强度下仍保持36.1%延伸率的突破性性能，为轻质高强结构材料的设计提供了新思路。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.07.028

【核心内容】

该研究通过循环加-卸载实验与位错密度分布的系统分析，揭示了异质结构带来的性能提升来源于晶界强化与异质变形诱导强化（HDI）效应的协同作用，异质结构中较小的奥氏体晶粒与B2颗粒显著提高了晶界密度，增强了屈服强度。同时，异质单元之间形成的应力不均促进了几何必需位错（GND）的累积，显著扩大了异质区影响范围（Hbar），从而提高了应变硬化能力，延缓了塑性失稳。

图形摘要

【研究方法】

Fe-28Mn-11Al-1C-5Ni轻质钢密度为6.64g/cm³，比纯铁减轻约15%，铸钢在1250℃下均匀化12h，然后在950-1100℃的温度范围内锻造成直径为15mm的棒材，在1050℃下进行2h固溶处理后水淬。为了获得异质单元尺寸逐渐增大的三种异质结构，将钢材冷轧后在1000℃下退火1、5和60min（HS1，HS5，HS60），并设置均匀对照组织（Homo）以及部分再结晶组织（PR32%、PR78%）进行比较。凭借SEM/EBSD/TEM进行微观结构表征，力学性能通过拉伸与循环加-卸载实验系统评估，并建立了基于位错累积与GND的物理模型。

【研究成果】

① 异质结构构筑与尺寸演化

在HS1、HS5和HS60样品中，条带状的B2相和弥散的B2颗粒嵌入到奥氏体基体中，其尺寸随退火时间显著变化，与均匀组织相比，异质组织具备显著的尺寸梯度与空间分布差异。Homo样品表现出均匀的微观结构，等轴B2颗粒分布在奥氏体集体中，没有条带状的B2相。

HS1，HS5，HS60及 Homo 样品的SEM显微组织与元素分布

多模态EBSD表征：相分布、B2取向及晶粒尺寸梯度演变

② 优异的强塑性协同性能

拉伸实验结果表明，HS1样品实现了1441MPa的极限抗拉强度与36.1%的总延伸率，与均匀组织（1058MPa，37%）相比，其强度得到了大幅提升，但塑性并没有出现明显下降远超均匀组织，表现出优异的强塑性平衡。

不同样品的应力-应变曲线与性能对比

③ 异质变形与HDI效应

通过循环加载-卸载实验与位错密度统计，发现HS1样品具有最高的HDI应力，从Homo样品到HS1样品HDI应力的上升反映了异质单元显著增强了位错累积与应变硬化能力，且这一效应与异质结构的尺寸表现出了较强的相关性。

不同异质结构的HDI应力演化

梯度结构HS钢异质界面邻近区的几何必需位错密度分布及统计关联性

④ 强化机制与理论建模

研究揭示了性能提升来源于晶界强化和HDI效应耦合增强，更细小的奥氏体与B2颗粒显著提高屈服强度，且优化的异质单元尺寸扩大了Hbar的范围，提高了位错密度梯度，从而显著提升应变硬化能力。团队建立的物理模型定量预测了最佳异质单元尺寸约为 2×Hbar，与实验获得的HS1结果高度一致。

力学耦合效应的跨尺度强化机制模型

不同组织轻质钢的强塑性对比

【总结与展望】

该研究系统地探讨了异质结构设计和异质单元尺度在调控奥氏体B2轻质钢力学性能的作用机制，异质结构能够通过GB强化和HDI效应耦合协同改善材料的性能。另外，研究中还通过理论模型确定了能够最大化HDI效果的临界异质单元尺寸（~2×Hbar）。这些成果为通过微结构设计重塑轻质钢的强塑性协同优化提供了新的指导思路。