异种不锈钢多层复合板中晶界连续性与界面完整性的跨尺度研究

本研究针对异种不锈钢层状复合材料界面结合难题，通过热轧复合技术首次实现了奥氏体/铁素体/马氏体/双相不锈钢的多层复合。采用EBSD和EDS证实了50-100μm梯度扩散区形成，界面强度超600MPa且断裂发生于基体而非界面，为开发梯度功能材料提供了新思路。

　　

在材料科学领域，如何实现异种金属的可靠连接一直是制约复合材料发展的瓶颈问题。传统焊接技术由于冶金不相容性，往往在异种不锈钢界面产生脆性相和缺陷。特别是奥氏体(γ)、铁素体(α)、马氏体(M)和双相(α+γ)不锈钢这四大类材料，因其晶体结构和热膨胀系数差异显著，常规方法难以实现高质量复合。

研究人员创新性地采用热轧复合这一固态连接技术，通过精确控制温度场和应力场，首次成功制备了四类不锈钢的多层复合板材。借助电子背散射衍射(EBSD)技术观察到跨越界面的晶粒连续生长现象，能谱分析(EDS)则揭示出Cr、Ni、Mo等关键元素形成50-100μm的梯度过渡带。令人振奋的是，力学测试显示界面剪切强度突破600MPa，所有试样均发生基体断裂而非界面剥离，这一性能指标已达到航空级复合材料要求。

本研究的核心技术方法包括：1)多参数耦合的热轧复合工艺；2)EBSD晶界取向分析；3)EDS元素面分布扫描；4)微剪切力学测试平台。通过系统优化轧制温度(800-1100°C)、压下量(50-70%)等参数，实现了原子扩散与塑性变形的协同调控。

主要研究发现：

1. 微观结构表征：EBSD相图显示界面区域无σ相、碳化物等脆性相，相邻晶粒呈现<110>//ND的择优取向关系。

2. 元素扩散行为：Cr、Ni的扩散系数分别为1.2×10^-16 m²/s和8.7×10^-17 m²/s，形成成分梯度过渡区。

3. 力学性能测试：剪切强度(602±23)MPa，断裂能达15.6 kJ/m²，优于激光焊接接头(约450MPa)。

这项发表于《Applied Materials Today》的研究具有三重突破意义：首先，建立了异种不锈钢固态复合的工艺窗口数据库；其次，发现了应变诱导扩散加速效应，为梯度材料设计提供新机制；最重要的是，该技术可直接利用废钢制备高性能复合材料，符合循环经济理念。研究团队特别指出，该方法可延伸至钛/钢、铝/镁等更难复合的金属体系，为航天耐热结构、核电包壳材料等战略领域提供了全新的材料解决方案。