新型TRIP效应中锰钢原位塑性变形非均匀性与局部损伤机制的多尺度研究

为解决中锰钢(MMnS)强度-塑性倒置难题，研究人员通过两阶段温轧+临界退火(IA)工艺设计异质结构MMnS，结合原位电子背散射衍射(EBSD)和晶体塑性-相场(CP-PFM)多尺度模型，揭示了应变诱导马氏体相变(SIMT)与滑移传递行为主导的三阶段加工硬化机制，证实<101>硬取向晶粒的{101}[111]滑移系激活可优化塑性分布。该研究为高强韧MMnS设计提供了理论依据。

　　

在汽车轻量化与安全需求双重驱动下，中锰钢(Medium Manganese Steel, MMnS)因其优异的强度-塑性协同效应成为研究热点。这种材料通过残余奥氏体(Retained Austenite, RA)的相变诱导塑性(Transformation-Induced Plasticity, TRIP)效应实现性能优化，但随强度提升出现的塑性骤降问题始终未解。究其根源，变形非均匀性与局部损伤的交互作用是关键瓶颈。传统研究多聚焦宏观力学性能，对微观尺度下奥氏体晶粒尺寸、初始取向与损伤演化的关联机制缺乏系统认知。

为解决这一难题，山东某高校团队创新性地采用两阶段温轧结合临界退火(Intercritical Annealing, IA)工艺，成功制备出铁素体+奥氏体双相异质结构MMnS。通过原位电子背散射衍射(Electron Backscatter Diffraction, EBSD)技术实时捕捉拉伸过程中微观组织演变，结合自主研发的多机制晶体塑性(Crystal Plasticity, CP)模型与相场法(Phase Field Method, PFM)耦合框架，首次建立了奥氏体晶粒特征-局部损伤-宏观性能的定量关系链。相关成果发表于材料领域顶级期刊《Materials Science and Engineering: A》。

研究团队运用三项核心技术：1) 采用EBSD原位拉伸台实现应变诱导马氏体相变(Strain-Induced Martensite Transformation, SIMT)动态追踪；2) 构建包含位错滑移与马氏体相变的多尺度CP本构模型；3) 通过PFM模拟损伤从晶界到晶内的跨尺度扩展行为。

【Case study steel】章节显示，实验采用Fe-7Mn-3Al-0.1Nb（wt%）合金体系，通过精确控制IA温度（700-800℃）调控奥氏体稳定性。EBSD分析证实IA750样品获得最佳组织配比，其奥氏体体积分数达42.3%，平均晶粒尺寸1.2μm。

【TRIP effect assisted strain hardening】部分揭示，IA750样品呈现独特的三阶段加工硬化：第一阶段由铁素体位错缠结主导；第二阶段对应连续TRIP效应，大尺寸奥氏体（>1μm）优先发生γ→α′相变；第三阶段则源于小尺寸奥氏体的渐进式相变与位错钉扎效应。

CP-PFM模型预测表明：1) 奥氏体晶粒细化至亚微米级时，晶界密度增加导致损伤累积速率提升35%；2) <001>和<111>软取向晶粒优先萌生微裂纹，而<101>硬取向晶粒通过激活{101}[111]滑移系实现高达18%的剪切应变协调；3) 几何相容因子m′>0.85的晶界更易发生滑移传递，缓解局部应力集中。

结论部分强调，该研究首次阐明奥氏体晶粒尺寸与取向协同调控变形均匀性的物理机制：1) 中等尺寸（1-2μm）奥氏体可实现TRIP效应与位错强化的动态平衡；2) 优化硬/软取向晶粒比例（建议3:7）能显著提升损伤容限。这些发现为开发新一代抗损伤高强韧MMnS提供了理论指导，其中提出的CP-PFM耦合策略为多相金属材料设计开辟了新途径。Ning Guo团队特别指出，未来研究将聚焦纳米析出相与TRIP效应的协同机制，以进一步突破2000MPa级超高强钢的塑性瓶颈。