兼具高強(qiáng)度和高塑性的先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料對(duì)于實(shí)現(xiàn)減重、節(jié)能減排以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展是至關(guān)重要的。然而，傳統(tǒng)的材料設(shè)計(jì)方法往往在提高強(qiáng)度的同時(shí)損耗塑性，難以實(shí)現(xiàn)兩者兼得。近年來(lái)，為了改善強(qiáng)度和塑性無(wú)法權(quán)衡的問(wèn)題，雙相結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在材料開(kāi)發(fā)中扮演越來(lái)越重要的角色，雙相設(shè)計(jì)的基本原理在于利用兩相中軟相良好的變形能力提供塑性。軟相首先發(fā)生變形，當(dāng)軟相變形到一定程度后，迫使硬相依靠界面強(qiáng)化提高強(qiáng)度。這種傳統(tǒng)的雙相材料當(dāng)硬相強(qiáng)度遠(yuǎn)高于軟相時(shí)，裂紋極易在雙相界面處萌生，損害材料塑性。

哈爾濱工程大學(xué)張中武教授團(tuán)隊(duì)為解決上述問(wèn)題，創(chuàng)新性地提出了一條反常規(guī)的設(shè)計(jì)方法，發(fā)明了具有框架結(jié)構(gòu)的時(shí)效馬氏體-奧氏體雙相鋼。該方法利用雙相鋼中的硬相即時(shí)效馬氏體控制塑性變形并構(gòu)成顯微框架結(jié)構(gòu)，軟相奧氏體被包裹在馬氏體形成的框架中。相關(guān)研究以題為“Mechanical properties and deformation mechanisms of a novel austenite-martensite dual phase steel”發(fā)表在International Journal of Plasticity上，第一作者為許松松博士，這也是許松松博士在該刊上發(fā)表的第二篇論文。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0749641919306448

該方法的實(shí)現(xiàn)方式是通過(guò)巧妙的成分和工藝設(shè)計(jì)形成含銅馬氏體和奧氏體雙相鋼。利用Cu在奧氏體中具有較高的固溶度而在馬氏體中固溶度低的特點(diǎn)，通過(guò)簡(jiǎn)單的時(shí)效處理，在馬氏體中形成大量細(xì)小彌散的富銅和NiAl納米相，而進(jìn)一步大幅度提高硬相馬氏體的強(qiáng)度，使高強(qiáng)度馬氏體形成顯微框架結(jié)構(gòu)控制屈服點(diǎn)而大幅提高雙相鋼的強(qiáng)度。

更重要的是，時(shí)效強(qiáng)化后硬相馬氏體可以通過(guò)其晶粒間同步變形和轉(zhuǎn)動(dòng)首先充分釋放本身的塑性，隨后馬氏體和奧氏體雙相間動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變配分誘導(dǎo)雙相協(xié)同變形，并觸發(fā)奧氏體的奧氏體相的相變誘導(dǎo)塑性（TRIP）效應(yīng)，形成加工硬化平衡區(qū)進(jìn)一步貢獻(xiàn)塑性。同時(shí)，雙相協(xié)同變形和動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變配分有效抑制了界面處應(yīng)力集中，延遲了裂紋的萌生。從而實(shí)現(xiàn)了通過(guò)簡(jiǎn)單的馬氏體時(shí)效提高硬相強(qiáng)度形成顯微框架的方法使鋼的強(qiáng)度和塑性成倍協(xié)同提高。

本方法不僅實(shí)現(xiàn)了在馬氏體-奧氏體雙相鋼中通過(guò)簡(jiǎn)單的時(shí)效處理提高硬相而使強(qiáng)度和塑性同時(shí)成倍提高，也可能為新型雙相合金的設(shè)計(jì)提供一種新的思路。

本研究中顯微框架結(jié)構(gòu)的確定以及雙相協(xié)同變形機(jī)制的闡釋得益于我國(guó)原位中子衍射技術(shù)的發(fā)展。中國(guó)工程物理研究院綿陽(yáng)反應(yīng)堆原位中子衍射技術(shù)為探究新型雙相鋼強(qiáng)韌化機(jī)制提供了技術(shù)保障。本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金和黑龍江省杰出青年科學(xué)基金資助。
 

圖一雙相鋼在時(shí)效前（a）與時(shí)效后（b）的顯微結(jié)構(gòu)表征圖。從圖中可以看出雙相鋼主要由馬氏體和奧氏體組成，時(shí)效處理后由于形成部分逆變奧氏體使奧氏體體積含量略有增加


圖二雙相鋼的（a）顯微硬度表征，以及（b-f）雙相中納米相三維原子探針表征結(jié)果。從圖中可以看出時(shí)效處理后在馬氏體中析出大量的富銅和NiAl納米相，時(shí)效后馬氏體相的硬度大幅提升。時(shí)效后在奧氏體中無(wú)納米相析出，奧氏體的硬度也不隨時(shí)效處理而變化。


圖三新型雙相鋼的（a）工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及（b）其與其它合金性能對(duì)比圖。時(shí)效處理后強(qiáng)度和塑性都大幅提高。


圖四雙相鋼時(shí)效強(qiáng)化前（a）原位中子衍射測(cè)試晶格應(yīng)變-應(yīng)力圖和（b）附有加工硬化率的真應(yīng)力應(yīng)變曲線


圖五 雙相鋼（a）時(shí)效后原位中子衍射表征晶格應(yīng)變-應(yīng)力變化圖，（b）歸一化后衍射強(qiáng)度和（c）半峰寬隨著應(yīng)力變化圖，（b）附有加工硬化率的真應(yīng)力應(yīng)變曲線以及（e）其拉伸變形后奧氏體的KAM圖。從圖可以看出，馬氏體在材料屈服后首先變形釋放塑性，隨后雙相協(xié)同變形并結(jié)合奧氏體TRIP效應(yīng)，形成加工硬化平衡區(qū)，進(jìn)一步提高塑性。