Nature子刊 | 泽攸科技原位SEM揭示3 GPa级超强钢动态断裂机理-泽攸科技

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Nature子刊 | 泽攸科技原位SEM揭示3 GPa级超强钢动态断裂机理

发布时间：

2026-07-01

钢铁作为现代文明与工业的基石，其性能演进对于极端承载构件至关重要，且屈服强度已成为决定服役安全的核心设计指标。经过近一个世纪的发展，超高强度航空航天合金的屈服强度已达到约2 GPa。然而深空探测车辆传动轴等下一代前沿技术的发展，迫切需要实现3 GPa超高屈服强度的重大跨越。这要求材料在迈向超高强度的同时，绝不能牺牲总延伸率、断面收缩率和抗疲劳性能等损伤容限关键指标。

迈向3 GPa强度的核心挑战，在于伴随超高强度而来的韧性灾难性丧失。传统的冷加工硬化等单机制强化极易诱发局部应力集中，导致材料总延伸率锐降至3%以下并引发脆性解理断裂。无论是时效马氏体钢中脆性金属间相造成的脆化，还是冷拔钢丝中位错的聚集，都易导致过早萌生裂纹。如何在保证成分均匀性、抑制有害晶界偏聚的前提下，攻克传统强塑性权衡并实现3 GPa级高韧性钢材的工业化规模制备，仍是当前材料领域的重大瓶颈。

针对上述问题，由北京航空航天大学、钢铁研究总院等组成的团队利用泽攸科技的原位SEM进行了系统研究，该团队创新性地将定制纳米析出相设计与高温剧烈塑性变形相结合，通过协同构筑包含多重错配纳米共析出相、高密度空间均匀分布的位错以及超细等轴晶的分级微观组织结构，成功在保持优异损伤容限与工业可扩展性的同时，实现了屈服强度达到3 GPa的超高强钢制备。

标题：Ductile and scalable 3 GPa steel via a hierarchical microstructural architecture
期刊：Nature Communications
网址：https://doi.org/10.1038/s41467-026-74216-4

该项研究针对超高强钢中普遍存在的强塑性权衡难题，系统阐述了一种基于分级微观组织结构设计的新型马氏体时效钢制备策略，其公称成分按重量百分比计为Fe-16Ni-7Mo-1.6Ti-15Co-0.1Al。为了解决屈服强度在逼近3 GPa时材料延伸率灾难性下降并诱发脆性断裂的传统技术瓶颈，研究团队将定制的化学成分与创新的高温剧烈塑性变形工艺进行了深度的协同调控。通过将保温温度设定在950摄氏度，且终锻温度控制在800摄氏度以上，并实现10或以上的累积真应变，该工艺在微观上引入了极高密度的位错和超细化的晶粒前驱状态。这种创新的热机械加工路径不仅有效避免了有害溶质在晶界的偏聚和脆性金属间化合物的提前析出，还为后续的大规模均匀时效强化奠定了稳固的基础，展现出了极高的工业应用可行性。

该研究深入探讨了如何在微观和纳米尺度上精准编排材料内部缺陷，以解决传统高强钢因单机制强化导致应力集中而提前开裂的问题。通过协同调控，马氏体基体在时效后演变为一种超细且各向同性的分级组织结构，其平均等轴有效晶粒尺寸仅为0.53微米，并且拥有高达79.6%的高角晶界比例。与此同时，基体内部保留了高达1.05 x 10^16每平方米的高密度位错，这些位错在空间上呈现出极佳的均匀分布网络，而非传统冷轧工艺中常见的局部交织或位错壁结构，从而能够确保材料在超高应力下仍具备持续形变硬化的能力。在此基础上，两种具备不同晶格错配度的纳米共析出相——即球状的omega相与针状的eta-Ni3Ti相，以极高的数量密度和超细的纳米级半径在基体内弥散分布，这不仅能高效阻碍高应力条件下的位错滑移，还充当了位错启动的广泛源头，从而有效延缓了局部塑性失稳的发生。

为了阐明该材料在微观尺度下的动态塑性变形与断裂演化机理，研究专门设计并实施了动态原位扫描电镜拉伸试验。在此过程中，研究团队利用泽攸科技研发的原位高温拉伸台，在2微米每秒的恒定形变速率下，对厚度为0.5毫米、宽度为1.5毫米的薄板试样进行了实时的微观力学加载观测。通过这一高精度的原位表征手段，研究清晰捕捉到了分级微观组织在裂纹扩展过程中的关键作用，直接证实了该设计能将传统冷轧时效状态下的混合模式脆性解理断裂，根本性地转化为由微孔聚集主导的微观延性断裂行为。借助于该仪器的精确加载与观测，研究表明空间均匀分布的高密度位错和纳米共析出相能够在裂纹尖端引发至关重要的应力松弛，同时超细等轴晶粒的高密度高角晶界迫使裂纹扩展路径呈现剧烈的曲折和锯齿状，从而大幅放大了微孔生长过程中的能量耗散，成功揭示了材料在3 GPa极限强度下实现高韧性的内在断裂力学本质。

该研究所构建的精密析出设计与微观结构宏观调控，最终在宏观力学表现上实现了一系列打破现有国际纪录的卓越性能指标。室温拉伸测试表明，该新型钢材成功实现了高达2977 MPa的屈服强度和3009.5 MPa的抗拉强度，同时保持了7.0%的总延伸率和高达47.5%的断面收缩率，远超所有现存的3 GPa级同类材料。在损伤容限方面，该钢材展现出26.0 MPa m^1/2的平面应变断裂韧性，并且在10^7次循环下测得高达1240 MPa的室温高周疲劳极限强度。更具突破性的是，在500摄氏度的高温极端环境下，该材料仍能维持超过2 GPa的超高屈服强度与良好塑性，并且这些优异的综合力学性能并非仅限于实验室微量制备，而是在直径30毫米、长度大于1米的工业级大规格棒材中得到了完全的稳定重现，充分证实了该技术在航空航天等极端载荷构件制造中的重大工业化规模应用潜力。

泽攸科技PicoFemto扫描电镜原位高温拉伸台是一款集成了力学拉伸模块和高温环境模块的先进设备，它能够在扫描电镜中对样品进行原位加热的同时进行拉伸实验。这款产品采用新一代高温拉伸方案，其加热台直接贴紧样品，确保了温度的准确度和稳定性。