近日，课题组侯自勇副教授，与北京理工大学国家材料冲击与安全重点实验室熊志平教授团队、澳大利亚伍伦贡大学Elena Pereloma教授等合作，在材料科学领域顶级期刊《Scripta Materialia》上发表了题为“Controlling carbide precipitation during tempering in Fe-C martensitic alloys through Mn distribution and martensitic lath width”的研究论文。该研究首次清晰揭示了通过马氏体板条细化与相邻残余奥氏体中Mn富集的协同作用，可有效控制甚至完全抑制回火过程中碳化物的析出，为设计兼具超高强度与优异韧性的新一代先进高强钢提供了关键理论依据和创新工艺思路。论文第一作者为熊志平教授，通讯作者为熊志平教授、侯自勇副教授和程兴旺教授。

研究背景与挑战

        Fe-C马氏体钢因其出色的强度与塑性匹配，是汽车、航空航天等重大工程领域的关键结构材料。其经典的“淬火-回火”热处理旨在提升马氏体的韧性，但过程中不可避免析出的碳化物（如ε-碳化物、渗碳体）往往会成为微裂纹的起源，损害材料的损伤容限。传统上通过添加Si、Al等元素仅能延迟或部分抑制渗碳体形成，无法从根本上阻止碳化物析出。因此，如何主动调控回火过程，抑制有害碳化物形成，是提升马氏体钢综合性能的核心难题。

研究创新点：

       本研究最大的创新在于，不仅验证了前期发现的“Mn异质分布可抑制碳化物”现象，更首次明确了实现该目标的两条可量化、可调控的具体路径，并阐明了其物理本质。

       创新点一：明确马氏体板条宽度的关键作用。研究团队通过精巧设计，利用不同温度下形成的珠光体作为前驱组织，经快速奥氏体化与淬火后，获得了具有不同板条宽度的“Mn贫化马氏体/Mn富集残余奥氏体”交替层片组织（即“幽灵珠光体”结构）。实验发现，当马氏体板条宽度细化至约200nm以下时，回火后板条内的碳化物析出被显著抑制甚至完全消除。结合DICTRA扩散动力学模拟，团队揭示了其根本机制：板条细化极大地缩短了碳原子从马氏体内部扩散至相邻奥氏体的距离，使得碳原子能更快速地被奥氏体捕获，从而丧失了在马氏体内聚集形核形成碳化物的机会。

图1: 在630°C保持60小时期间快速奥氏体化后形成的淬火回火幽灵贝氏体：（a）SEM图像，显示用于TEM观测的红色矩形区域；（b）明场图像；（c）沿红色箭头的EDS线扫描计算出的UMn分数，显示由富锰的留奥氏体和贫锰的马氏体组成的幽灵贝氏体；（d）马氏体板条中ε-过渡碳化物的形成。RA为留奥氏体，M为马氏体。

图2:(a) 模型-Ⅰ-CEM 用于分析马氏体板条宽度 (160 ∼ 440 nm) 的影响；(d) 模型-Ⅱ-CEM 用于分析 Mn 含量 (面心立方中 5 ∼ 35 wt. %) 的影响；(b, e) 在 200°C 回火时间下碳浓度的演变；(c, f) 在 200°C 回火时间下残余奥氏体、渗碳体和马氏体宽度的演变。FCC 表示残余奥氏体，BCC 表示马氏体板条，CEM 表示渗碳体。

       创新点二：量化相邻奥氏体中Mn含量的影响。团队进一步通过控制珠光体等温转变时间，调控了最终残余奥氏体（RA）中的Mn富集程度。研究表明，提高相邻奥氏体中的Mn含量（如UMn分数从5%提升至8%），能进一步增强对碳化物析出的抑制效果。模拟计算表明，Mn富集降低了奥氏体的碳化学势，相当于增强了其对碳原子的“抽吸”能力，从而加速了碳从马氏体向奥氏体的扩散。

       创新点三：揭示“板条宽度”相较于“Mn含量”可能具有更主导的影响。研究通过对比发现，在实现完全抑制碳化物析出方面，减小马氏体板条宽度（缩短扩散路径）比单纯提高相邻奥氏体中的Mn含量更为关键。这一发现为工艺优化提供了明确的优先级指导，即首先致力于获得细小的马氏体板条组织。

       本研究的另一大特色在于，提出了利用“幽灵珠光体”作为实现上述理想微观结构的有效工艺桥梁。该工艺通过先获得Mn异质分布的珠光体，再进行快速加热和短时奥氏体化，利用Mn在短时间内扩散能力有限的特点，成功将原始的Mn分布“遗传”至最终的奥氏体/马氏体组织中。这种方法使得马氏体板条宽度和相邻奥氏体Mn富集度这两个关键参数变得可通过前驱珠光体的转变工艺（温度、时间）进行精确预设计，实现了对最终组织与性能的主动控制。

       该项工作结合热动力学计算模拟与先进表征，是基础研究面向国家重大需求、解决关键材料瓶颈问题的典型体现。它突破了传统仅通过合金化来影响碳化物析出的思路，开创了通过微观组织形貌设计与成分跨界面梯度调控相结合来驾驭回火过程的新范式。从理论层面上，深化了对回火过程中碳扩散与析出动力学的理解，明确了微观几何尺度与成分梯度协同作用的新机制。从技术层面上，为开发“无碳化物”或“少碳化物”的高韧性马氏体钢提供了清晰可行的工艺路线图，特别是为基于“幽灵珠光体”的异质淬火-配分等新型热处理工艺的开发奠定了坚实基础。有望指导设计出具有更高损伤容限、更优强塑性匹配的先进高强钢，服务于高端装备制造、新能源汽车等国家战略性产业。

论文信息：

Zhiping Xiong, Qi Chen, Chen Chen, Dezhen Yang, Hao Zhang, Ziyong Hou, Elena Pereloma, Xingwang Cheng. Controlling carbide precipitation during tempering in Fe-C martensitic alloys through Mn distribution and martensitic lath width. Scripta Materialia, 2026, 277, 117252.

DOI: 10.1016/j.scriptamat.2026.117252