導讀：對于結構應用來說，開發兼具高強度、延展性和韌性的鋼是非常理想的。本文實現了高斷裂韌性（129 MP am ）、高強度（~1.5 GPa 屈服強度）和高延展性（~37% 均勻伸長率）奧氏體不銹鋼。通過冷軋、閃光退火和回火工藝，該鋼顯示出由具有高密度位錯的反奧氏體 (RA) 薄片和具有亞微米晶粒的部分再結晶奧氏體 (PRA) 薄片組成的異質層狀微觀結構。層狀界面是具有薄層析出物的原奧氏體晶界 (PAGB)。從本質上講，大量晶界阻礙了裂紋的擴展，增強了 PRA 薄片的抗斷裂性。RA 薄片中的位錯單元充當裂紋擴展的軟屏障，使裂紋尖端變鈍并減少高密度位錯對斷裂韌性的不利影響。外在，增韌機制包括 PRA 層中凹坑的深度膨脹、層狀界面的界面分層和相變誘導塑性 (TRIP) 效應。我們的研究可能會促進用于結構應用的高強度和高韌性奧氏體鋼和合金的發展。

為了減少能源消耗和環境污染，幾十年來，開發具有成本效益的用于輕量化部件的高強度高韌性金屬材料引起了業界的關注. 奧氏體不銹鋼具有高成型性和優異的耐腐蝕和抗氧化性，但其粗晶微觀結構的屈服強度通常較低 (< 350 MPa )，限制了它們的承載應用。一般而言，晶粒細化、位錯強化、固溶強化和析出強化可提高奧氏體鋼和合金的屈服強度。然而，這些強化途徑不可避免地會犧牲斷裂韌性或拉伸延展性，同時提高材料的屈服強度。在不顯著影響其韌性和延展性的情況下提高奧氏體鋼和合金的屈服強度一直是一項長期存在的技術挑戰. 為了實現所需的強度和延展性組合，已經提出了一些策略，包括異質結構、梯度納米結構和納米級孿晶，奧氏體鋼和高熵合金。這些研究中的大多數都致力于克服強度-延展性的權衡。盡管斷裂韌性是結構部件設計的關鍵機械性能，但關于高強度奧氏體鋼和其他合金的增韌策略的報道較少然而，動態塑性變形也會在孿晶界和納米晶粒中引入高密度位錯，導致應變硬化能力和拉伸延展性嚴重下降。盡管熱退火可以在一定程度上進一步調整微觀結構以補償延展性的損失，但據我們所知，強度（~1 GPa 屈服強度）、延展性（18% 的斷裂伸長率）和韌性的最佳協同作用（ 138 MPa m  ) 仍為實驗極限，有望進一步提高。

最近，科研人員在中錳鋼中提出了一種新的增韌機制，即“高屈服強度誘發分層開裂和增韌”。他們的研究表明，激活分層增韌的兩個必要條件是高機械應力和相對較弱的界面的存在。已實現強度（~2 GPa 屈服強度）、延展性（~19% 均勻伸長率）和韌性（~102 MPa m）的協同作. 他們的結果啟發我們探索高強度奧氏體鋼的增韌策略。

在這項研究中，北京科技大學鋼鐵技術協同創新中心武會賓教授聯合加拿大多倫多大學鄒宇教授等人通過結合冷軋、閃光退火和回火工藝，在具有相對薄弱層狀界面的低成本奧氏體不銹鋼中制備了異質層狀顯微組織。實現了高斷裂韌性（129 MPa m）、高強度（~1.5 GPa 屈服強度）和高延展性（~37% 均勻伸長率）奧氏體不銹鋼。研究了這種奧氏體不銹鋼的顯微組織特征和力學性能；對其斷裂行為和增韌機制進行了討論。相關研究成果以題“Superior fracture toughness in a high-strength austenitic steel with heterogeneous lamellar microstructure”發表再金屬頂刊Acta materialia上。

論文鏈接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135964542200026X

CFT 鋼顯示出由～75% 具有高密度位錯的 RA 薄片和～25% 具有亞微米晶粒的 PRA 薄片組成的異質層狀微觀結構。沿層狀界面的薄 Cr 23 C 6層導致層狀界面（PAGB）的輕微弱化。這種弱化作用導致在超高屈服強度的協調下，片層界面和深凹坑的界面分層（即亞裂紋）。鑒于 CFT-RD 樣品中的主裂紋垂直于 PRA 和 RA 薄片，與 CFT-TD 樣品中的相比，深凹坑在基體中發展得更深，并且空隙和子裂紋的傳播方向垂直到主裂縫。

圖 1。狗骨形拉伸試樣和CT斷口試樣相對于CFT鋼板的三維取向示意圖。鋼板的背景是CFT鋼顯微組織示意圖。示意圖的黑色區域和綠色區域分別表示 RA 薄片和 PRA 薄片。

圖 2。(a) CFT 鋼中 TD 平面的 EBSD 反極圖 (IPF) 圖（改編自[23]，版權所有 2021 Elsevier Ltd）。(b) ND 平面的 SEM 圖像。插圖是標記區域的放大圖像。(c) RD 平面的 EBSD IPF 圖。(d) 示意性三維模型闡明了 CFT 鋼中異質薄片的微觀結構特征。CFT 鋼中 RA 薄片 (e)（改編自[23]）、RA 和 PRA 共存薄片 (f) 和 PRA 薄片 (g) 的 TEM 顯微照片。(f) 中的虛線表示層狀界面。

圖 3a 顯示了 CFT 鋼的工程應力-應變曲線和相應的加工硬化率 (WHR) 曲線。CFT-RD 樣品實現了高強度和延展性的協同作用。CFT-RD試樣的上屈服強度、極限抗拉強度和均勻伸長率分別為1479 MPa、1510MPa和36.6%。與CFT-RD試樣相比，CFT-TD試樣的上屈服強度略微降低至1430 MPa，表明在TD加載方向下CFT鋼的屈服過早出現。由于 CFT 鋼中的 PRA 薄片 (433 ± 30 HV) 比 RA 薄片 (547 ± 39 HV) 軟，因此與 CFT 鋼相比，周圍 RA 薄片對 PRA 薄片在 TD 加載方向變形的約束較弱。。圖 3b 顯示了用于計算塑性工作密度的各種 CFT 鋼的真實應力-應變曲線。CFT-RD 和CFT-TD 樣品的塑性功密度分別達到602 MJ m -3和377 MJ m -3的水平。特別是，CFT-RD 樣品的塑性功密度與超細晶孿晶誘導塑性 (TWIP) 鋼 (598 MJ m -3 ) 相當，其屈服強度約為超細晶的兩倍TWIP 鋼 (710 MPa) 。此外，CFT-RD 樣品的塑性功密度約為納米孿晶奧氏體不銹鋼的 5 倍（125 MJ m -3) 具有相當的屈服強度 (1144 MPa) 。

圖 3。(a) CFT 鋼的工程應力-應變曲線和相應的加工硬化率曲線（插圖）。CFT 770 -RD和CFT 780 -RD鋼分別表示閃光退火溫度為770°C和780°C的CFT鋼，加載方向為RD。(b) CFT 鋼的真實應力-應變曲線。（c） CFT-RD 和 CFT-TD 樣品的J積分抗斷裂曲線（圖 S3）。插圖是兩個樣品的相應力與負載線位移曲線。(d) CFT 鋼與其他具有不同基體相的代表性 AHSS 鋼的屈服強度與斷裂韌性的比較 [ 3 , 28 , [39] ,[40]、[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、[47]、[48] ] 和高熵合金

圖 4。(a) 斷裂 CFT-RD 樣品的示意圖。(b) CFT-RD 斷口的三維形貌。(c) CFT-RD 斷口上的 SEM 圖像。CFT-RD斷面上深凹坑（谷）（d）和峰（e）的放大形貌。

圖 5。(a) 斷裂 CFT-TD 樣品的示意圖。(b) CFT-TD斷面的三維形貌。(c) CFT-TD 斷口上的 SEM 圖像。(d) CFT-TD斷面上深而細的凹坑的放大形貌。

圖 6。(a) PRA 薄片中裂紋擴展的示意圖。(b-f) PRA 中裂紋擴展的原位 TEM 顯微照片，顯示了晶界對裂紋擴展的阻礙作用。GB 表示晶界。(g) PRA 中裂紋擴展和空隙聚結的原位 TEM 顯微照片。有關詳細信息，請參閱視頻 1 和 2。(bg) 中的藍色箭頭表示裂紋的擴展方向。

圖 7。(a) RA 薄片中裂紋擴展的示意圖。(b-f) RA 中裂紋擴展和空洞合并的原位 TEM 顯微照片，顯示位錯單元壁對裂紋擴展的阻礙作用。DC表示位錯單元。（g-j）裂紋通過 RA 細胞壁擴展的原位 TEM 顯微照片。(k-n) RA 位錯單元內裂紋擴展的原位 TEM 顯微照片。有關詳細信息，請參見視頻 3 (bf)、4 (gj) 和 5 (kn)。(b、c、g 和 k) 中的藍色箭頭表示裂紋的擴展方向。

圖 8。(a) CFT-RD CT 樣品中平面截面裂紋擴展路徑的 SEM 圖像。(b) (a) 中標記區域的放大 SEM 圖像。藍色和紅色箭頭分別表示深凹坑和亞裂紋。(c) CFT-RD 的 CT 樣品中裂紋擴展示意圖。通過背散射電子成像觀察到的 CFT-RD 樣品裂紋尖端前的深凹坑 (d)、細凹坑 (e) 和空隙 (f) 的 SEM 圖像。（df）中的白色虛線表示層狀界面。

圖 9。(a) CFT-TD 的 CT 樣品中平面截面上裂紋擴展路徑的 SEM 圖像。(b) (a) 中標記區域的放大 SEM 圖像。藍色和紅色箭頭分別表示深凹坑和亞裂紋。(c) CFT-TD 的 CT 樣品中裂紋擴展示意圖。通過背散射電子成像觀察到的 CFT-TD 樣品裂紋尖端前的細凹坑 (d)、深凹坑 (e) 和空隙 (f) 的 SEM 圖像。（df）中的白色虛線表示層狀界面。

圖 10。(a) 跨層狀界面的 APT 分析顯示 Cr 23 C 6析出物。析出物 (a) 的形態圍繞 Z 軸旋轉了 45° (b)、90° (c) 和 135° (d)。(e) (a) 的垂直和 (f) 底視圖圖像。(g) 直方圖顯示了層狀界面上的成分變化。

圖 11。(a) CFT-RD 的 CT 樣品中平面剖面裂紋路徑和 EBSD 檢測位置示意圖（I，裂紋尖端；II 和 III，距裂紋尖端 150 μm 和 400 μm）。位置 I 附近的 EBSD 相位圖 (b) 和圖像質量圖 (c)。位置 II 和位置 III 附近的 EBSD 相位圖 (d) 和 (e) 如 (a) 所示。(be) 中的白色虛線表示層狀界面。(f) 裂紋尖端 2 mm 范圍內的 XRD 結果。

圖 12。(a) CFT-TD 的 CT 樣品中平面剖面裂紋路徑和 EBSD 檢測位置示意圖（I，裂紋尖端；II 和 III，距裂紋尖端 150 μm 和 400 μm）。位置 I 附近的 EBSD 相位圖 (b) 和圖像質量圖 (c)。位置 II 和位置 III 附近的 EBSD 相位圖 (d) 和 (e) 如 (a) 所示。(be) 中的白色虛線表示層狀界面。(f) 裂紋尖端 2 mm 范圍內的 XRD 結果。

圖 14。CFT-RD（ad）和CFT-TD（eg）樣品的增韌機理模型示意圖。CFT-RD(h)和CFT-TD(i)的CT樣品示意圖表明，在平面應變條件下，裂紋尖端前存在三軸拉應力狀態。

在這項研究中，我們在使用 CFT 工藝制造的高強度（~1.5 GPa 屈服強度）和延展性（~37% 均勻伸長率）奧氏體不銹鋼中實現了卓越的斷裂韌性（129 MPa m）。闡明了這種奧氏體不銹鋼的斷裂行為和增韌機制。PRA片層中大量的晶界有效地阻礙了裂紋的擴展，提高了鋼的抗斷裂能力。在RA片層中，位錯胞壁作為裂紋擴展的軟屏障，裂紋在位錯胞內擴展時仍然是鈍化的，減少了高密度位錯對斷裂韌性的不利影響。在 CFT-RD 樣品中，深凹坑在基體中的更深發展導致了更曲折的裂紋路徑，耗散了更多能量并提高了斷裂韌性。CFT-RD 樣品中子裂紋和空洞的擴展不僅消耗能量，而且阻止了主裂紋的擴展，從而導致更高的斷裂韌性。此外，CFT-RD 樣品中的裂紋擴展垂直于 PRA 和 RA 薄片，導致更大的塑性區。因此，與 CFT-TD 樣品相比，CFT-RD 樣品的斷裂韌性提高也歸因于較大的塑性區引起的更強的 TRIP 效應。