长期以来，屈服强度达到3GPa的超高强度钢始终存在“强则脆”的行业痛点：传统工艺制备的3GPa级别钢材延伸率普遍不足3%，极易发生脆性断裂，难以用于航空航天、深空装备等极端安全关键场景。近日，由钢铁研究总院有限公司联合北京航空航天大学合作，提出多级组织构筑新策略，成功研制兼具 3GPa超高屈服强度、可观塑性、优异高温与疲劳性能且可工业化批量制备的新型马氏体时效钢，相关研究成果于2026年6月18日在线发表于国际期刊《Nature Communications》（《自然・通讯》）。钢铁研究总院有限公司耿如明高工为第一作者，刘跃博士为共同第一作者，钢铁研究总院有限公司王春旭首席与北京航空航天大学赵士腾教授为共同通讯作者，北京航空航天大学徐惠彬教授、郑立静教授均参与了该工作。
研究设计成分为Fe-16Ni-7Mo-1.6Ti-15Co-0.1Al（质量分数）的马氏体时效钢，搭配高温剧烈塑性变形（SPD）+深冷+时效完整热处理工艺，构建多尺度协同微观结构。基体中生成Ni₃Ti与ω相两种纳米析出相，数密度分别为4.14×10²³ m⁻³、3.36×10²³ m⁻³，平均尺寸仅2.09 nm、1.80 nm，两种析出相晶格错配度不同，均匀分布在基体内部，辅助提升强度同时分散局部应力。采用950℃高温大塑性变形，对比冷轧产生的局部位错塞积，高温变形获得更多可动位错。高温变形后得平均有效晶粒尺寸达0.53 μm，高角度晶界占比 80.4%，提升了材料抗断裂能力。作为对照，研究同步制备了冷轧试样（CRA），冷轧试样晶粒呈长条状，小角度晶界集中，变形后易出现局部应力集中。
精细的组织调控后，材料表现出优异的力学性能，屈服强度2977 MPa，抗拉强度3009.5 MPa，总伸长率7.0%，断面收缩率 47.5%；同等强度冷轧试样伸长率仅2.2%，断面收缩率23.5%。材料平面应变断裂韧性 KIC=26.0±0.2 MPa・m¹ᐟ²，优于已报道同强度级别钢材；应力比0.1、10⁷次循环条件下疲劳极限1240 MPa；500℃环境下屈服强度仍可维持2GPa。该研究未局限于实验室小试样，完成了工业级坯料验证，制备了直径 30 mm、长度 1 m 的圆棒。整套生产流程无需特殊定制设备，可适配现有特种钢生产线，具备规模化生产条件。
该研究通过纳米协同析出、均匀位错网络、超细等轴晶粒三者协同的分层微观结构，缓解了超高强度钢材普遍存在的强塑性倒置问题，在 3GPa 强度区间实现兼顾塑性、韧性、疲劳与高温性能，且可制备大尺寸工业构件，该多级组织构筑调控策略为超高强马氏体钢提供了新的工艺路径。
图1 塑性3GPa钢析出相表征
图2 塑性3GPa钢显微组织
图3 塑性3GPa钢力学性能
