背景简介

马氏体不锈钢因其高强度、良好的塑性以及优异的焊接性，被广泛应用于水轮机、石化管道和船舶等大型焊接结构。其焊缝金属必须具备优异的强度、塑性、韧性和耐腐蚀性。然而，焊接过程会造成马氏体不锈钢焊缝金属塑性和韧性的严重下降，特别是在传统焊接工艺中。当前针对焊缝金属塑韧性的调控手段包括采用先进焊接方法、进行贵金属微合金化等，但均受成本限制，难以广泛应用。

基于此，本文提出了一种低成本的Mn微合金化焊材设计方案，在焊条电弧焊焊缝金属中实现了强度、塑性与韧性的协同提升，讨论了Mn诱导的逆转变奥氏体与马氏体变体的演化机制，并计算了每种强化机制对屈服强度的具体贡献。

成果介绍

（1）Mn微合金化在细化Bain团和促进变体分布均匀化方面取得了显著效果。与Mn0.4试样相比，Mn0.8试样中Bain团以细小板条状为主，24种变体的面积分数差异显著减小，Bain团分布均匀性进一步提升。此外，Mn微合金化改变了变体配对类型，增加了不同Bain组间的配对，如V1/V2、V1/V15(V23)等，而同一Bain组内配对被显著抑制，如V1/V4和V1/V8的配对比例分别降至0.95%和0.87%。

图1 不同Mn含量的马氏体变体、Bain团、CP团与变体对分布图：（a1-d1）变体分布图；（a2-d2）Bain团分布图；（a3-d3）CP团分布图；（a4-d4）变体对分布图；（a）Mn0.4-AW；（b）Mn0.4-PWHT；（c）Mn0.8-AW；（d）Mn0.8-PWHT

（2）Mn微合金化实现了强度、塑性和冲击韧性的协同提升。如图2所示，Mn0.8-PWHT试样的屈服强度和抗拉强度分别提高162.6 MPa和38.7 MPa，延伸率增至26.9%，冲击韧性达95.8 J，加工硬化能力亦显著增强（图2(c)）。此外，由于Mn微合金化促进了逆转变奥氏体的TRIP效应并优化了马氏体变体取向，在强度提升的同时，裂纹扩展能量由43.0 J提高至65.5 J。相比之下，如图3所示，Mn0.8-PWHT焊材通过低成本的微合金化方案，在传统焊接方法下展现出强度、延伸率和韧性的显著协同提升。尽管其冲击韧性略低于采用先进焊接工艺获得的焊缝金属，但在强度和延伸率方面仍具有显著优势。

图2 焊接金属的力学性能：（a）工程应力-工程应变曲线，（b）真应力-真应变曲线，（c）真应变-加工硬化率曲线，（d）拉伸强度、延伸率和冲击韧性

（3）Mn诱导的TRIP效应与变体选择优化了裂纹行为。如图4和图5所示，Mn0.8-PWHT试样的裂纹扩展路径由穿过粗大Bain团和单一变体束转变为穿过细小的Bain团与马氏体变体，断口侧面组织显著细化。此外，RA在变形过程中的TRIP效应可以有效吸收断裂过程中的能量并提高塑性和韧性。同时，形成的TRIP-马氏体会进一步细化马氏体基体。

图4 焊接金属拉伸断口和断口侧面的表征结果，（a，d）拉伸断口，（b，e）拉伸断口侧面的相分布图，（c1，f1）变体分布图，（c2，f2）Bain团分布图，（c3，f3）变体对分布图，（a，b，c）Mn0.4-PWHT，（d，e，f）Mn0.8-PWHT

图5 焊接金属冲击断口和断口侧面的表征结果，（a，d）冲击断口，（b，e）冲击断口侧面的相分布图，（c1，f1）变体分布图，（c2，f2）Bain团分布图，（c3，f3）变体对分布图，（a，b，c）Mn0.4-PWHT，（d，e，f）Mn0.8-PWHT

致谢

该研究工作得到了国家自然科学基金（52675454, 52175325）、甘肃省拔尖领军人才项目、中央引导地方科技发展专项（24ZYQA054）、甘肃省科技重大专项（24ZD13GA018, 23ZDGA010, 22ZD6GA008）、甘肃省重点研发计划（23YFGA0057）以及甘肃省教育厅研究生“创新之星”项目（2026CXZX-493）的支持。本文第一作者：刘梓申（兰州理工大学），本文通讯作者：曹睿（兰州理工大学）。

本期小编：刘梓申 （整理）

董乃健 （发布）