马氏体时效钢作为超高强度钢的重要成员,可以通过在中等温度下进行时效处理析出纳米级的析出相来实现材料的强化。这类钢具有超高强度、高延展性和高韧性,因此成为火箭发动机外壳、潜艇外壳和低温导弹等结构件的首选材料。了解马氏体时效钢在时效过程中的析出相演变规律,探究析出相的作用机制,是开发综合性能优异的马氏体时效钢的基础。在马氏体时效钢中,各种纳米析出相的种类、形貌及其热稳定性与材料成分以及热处理制度密切相关,并且马氏体时效钢在时效过程中形成的不同类型的析出相亦存在互相作用的可能性。本文采用高分辨透射电子显微镜（High resolution transmission electron microscopy,HRTEM）、原子探针层析成像（Atomic probe tomography,APT）、热力学和第一性原理计算、力学试验等方法,系统研究了马氏体时效钢中Ti、Ni、Mo、Cr、Cu等合金元素之间的协同作用和纳米析出相复合析出行为对材料力学性能的影响。通过研究Fe-Ni-Ti系马氏体时效钢中纳米相的析出行为,发现Ni是重要的马氏体基体形成元素,当钢中Ni含量高于10 wt.%时,才能得到全马氏体组织。Ti是影响钢中Ni3Ti析出最重要的元素,随着Ti含量的增加,Ni3Ti的形核速率增加,时效硬化指数也相应增加。Ni3Ti相时效析出的动力学可用Johnson-Meh1-Avrami方程来描述,发现时效过程的激活能低于Ni和Ti原子在BCC-Fe中的扩散激活能,这是因为Ni3Ti的析出受马氏体基体中高密度位错和界面控制。时效后的Fe-Ni-Ti系马氏体时效钢在拉伸过程中出现了严重的沿晶断裂现象。断口形貌分析表明这种沿晶断裂是由于粗大的Ni3Ti相在原奥氏体晶界处析出所致。通过研究Fe-Ni-Ti-Mo系马氏体时效钢中纳米相的析出行为,发现在Fe-Ni-Ti 系马 氏体时效钢中加入一定量的 Mo 后,可以有效抑制 Ni3Ti 在晶界处的析出,使马氏体时效钢由沿晶断裂转变为韧性断裂,提高了其塑韧性。这是因为Mo原子比Ti和Ni原子的晶界偏析能低,时效过程中更容易偏聚在晶界处,进而抑制Ni和Ti原子在晶界处的偏聚,阻碍了 Ni3Ti析出相的形核和长大。与此同时,Fe原子和Mo原子在晶界处具有更高的原子结合强度,可以显著提高晶界的结合力。利用Mo和Ti的协同作用,设计了具有一定耐蚀特性的Fe-Ni-Ti-Mo-Co-Cr系马氏体时效不锈钢,通过研究钢中纳米相的析出行为,发现Ni3Ti、富Mo相和富Cr相之间存在复杂的交互作用。在Ni3Ti析出初期,Mo原子偏聚在Ni3Ti析出相的核心,不仅增加了 Ni3Ti析出的化学驱动力,同时还降低了 Ni3Ti形核的应变能,显著加速了 Ni3Ti的析出。随着析出反应的进行,Mo原子从Ni3Ti析出相核心被排斥到Ni3Ti与基体的界面处,促进了富Mo相在Ni3Ti与基体界面处的异质形核。此外,Ni3Ti析出相的形成消耗了基体中的Ni,极大地抑制了 Cr的调幅分解,细化了富Cr相的尺寸。依靠Ni3Ti、富Mo和富Cr相复合析出强化的马氏体时效不锈钢的抗拉强度达到1.8 GPa,断裂韧性为89 MPa·m1/2。为了进一步改善马氏体时效不锈钢的韧塑性,利用Cu加速逆转变奥氏体形成的机制,设计了具有TRIP效应的Fe-Ni-Cu-Mo-Co-Cr马氏体时效不锈钢。通过研究钢中纳米相的析出行为,发现Cu作为奥氏体形成元素增加了逆转变奥氏体形核的化学驱动力。此外,时效过程中富Cu相的析出为奥氏体的逆转变提供了大量的形核位点,从而显著促进了逆转变奥氏体的形核。在拉伸变形过程中,亚稳态逆转变奥氏体转变为马氏体,通过TRIP效应显著提高了含Cu钢的塑性和韧性。Cu促进逆转变奥氏体形成的方法为提高先进高强钢的强度—塑性—韧性的协同作用提供了一种新的设计思路。