通过依次激活多种强化机制的超延性钢

《Materials Today》：Super ductile steel via sequentially activating multiple strengthening mechanisms

　　

摘要

我们报道了一种Fe-24Ni-0.6C（wt.%）奥氏体钢，其表现出约140%的超大均匀拉伸延伸率和122 GPa%的超强强-延组合——这一破纪录的数值超越了所有已知的结构金属材料。这些卓越的拉伸性能源于一系列内在协调的多种变形（强化）机制的依次激活——位错滑移、形变孪晶和变形诱导马氏体相变——每种机制大致在前一种机制不足以维持均匀延伸率时被激活。这种在时间上精心编排的转变在异常宽的应变范围内维持了较高的应变硬化率，从而延缓颈缩并实现了超大拉伸延伸率和超高强度（真拉伸应力高达2.1 GPa）。本研究展示了一种基于路径的策略，通过时间上协调的变形模式来最大化应变硬化能力，为具有卓越强-延协同效应的先进结构合金提供了一种机制导向的设计原则。

引言

强度和延伸率在决定结构合金的力学性能方面起着核心作用。强度赋予材料承载能力，而延伸率则提供损伤容限和能量吸收能力。然而，提高一方必然会损害另一方，从而产生了长期存在的强度-延伸率权衡问题。这一困境源于材料强度与其应变硬化能力之间的内在耦合关系。在拉伸变形过程中，均匀延伸率由塑性失稳条件[1]决定：一旦应变硬化率（SHR）降至流动应力以下，塑性失稳（即颈缩）便开始发生。在仅由位错滑移主导塑性变形的传统金属中，初始的较高应变硬化率源于林位错的快速积累，但随着应变增加、位错储存能力下降，该硬化率逐渐衰减，将完全退火合金的均匀延伸率限制在约20–40%[2], [3], [4]。高强度合金——通常通过晶粒细化、冷加工或沉淀强化——倾向于更早出现颈缩（约5–10%），因为它们的可用应变硬化能力在拉伸加载之前已被大量消耗[5], [6], [7], [8]。

为拓展位错滑移主导塑性变形的有限应变硬化能力，先进合金越来越多地利用亚稳态工程策略，引入额外的变形机制——最突出的是孪晶诱导塑性（TWIP）和相变诱导塑性（TRIP）[9], [10]。通过在变形过程中动态产生新的界面（孪晶界）或较硬的产品相（应变诱导马氏体），这些机制可以显著增强应变硬化并延缓塑性失稳的发生[10]。然而，大多数现有策略依赖单一主导强化机制，因此可达到的强-延组合受到限制。虽然将多种变形机制（如滑移、孪晶和马氏体相变）整合在一起以提供更大的整体应变硬化潜力、从而实现更优越的强-延协同效应从原理上看极具前景，但在单一合金中有效实现这种整合仍然极具挑战性。

整合多种变形机制的主要困难在于控制形变孪晶和马氏体相变的参数之间存在着强耦合，最显著的是母相的层错能（SFE）和相稳定性[11]。这些参数往往使两种机制相互竞争而非协同依次激活，即激活一种往往会抑制另一种[12]。因此，报道中同时表现出孪晶和相变的合金通常依赖于化学成分或微观结构的非均匀性来局部改变SFE或相稳定性，从而使不同区域通过不同机制进行变形[13], [14], [15]。然而，这种空间分区并不一定能在同一变形微观结构中产生连续的应变硬化贡献。另一个困难在于实现变形机制的精准时序依次激活：为了最大化每种机制的应变硬化贡献，后续机制的贡献应在先前机制不足以防止塑性失稳时变得显著[16]。实现这种精细的交接需要对SFE、相稳定性以及变形过程中的微观结构演化进行精确控制——这是一个极少被满足的极其苛刻的要求。因此，此前报道的兼具孪晶和相变的钢很少能表现出超越传统TWIP或TRIP钢的拉伸性能[15], [17], [18]。

本文表明，通过多种变形机制之间内在的依次转变（而非依赖单一主导硬化源），可以显著提升均匀延伸率和强-延协同效应。为实现这一原理，我们设计了一种Fe-24Ni-0.6C（wt.%）奥氏体合金，使其能够实现这种时间上协调的变形。详细的微观结构表征和原位衍射分析揭示了一条内在协调的变形路径：低应变下的位错滑移、中等应变下的形变孪晶和大应变下的变形诱导马氏体相变。每种机制大致在前一种机制的应变硬化潜力接近耗尽时被激活，从而在异常宽的应变范围内维持了足够高的应变硬化率。这种精心编排的变形序列带来了约140%的超大均匀延伸率以及122 GPa%的非凡强-延积（均匀工程应变 × 峰值工程应力），远远超过此前报道的结构金属材料的数值。这些发现确立了一种基于路径的、机制导向的策略，通过时间上协调的变形模式来最大化应变硬化能力，从而设计具有卓越强-延协同效应的先进结构合金。

章节摘要

结果与讨论

一种Fe-24Ni-0.6C（wt.%）奥氏体钢是基于我们此前对Fe-Ni-C奥氏体TRIP钢的研究开发而成的[19], [20]。该合金通过增加碳含量来延迟变形诱导马氏体，从而为形变孪晶打开一个中间应变窗口，旨在实现滑移、TWIP和TRIP的连续应变硬化贡献。详细的合金设计依据以及与低碳Fe-Ni-C合金的比较详见

结论

总之，我们证明了一种Fe-24Ni-0.6C（wt.%）奥氏体钢表现出前所未有的约140%的均匀延伸率和122 GPa%的强-延组合，超越了所有此前报道的金属材料。这种非凡的强-延协同效应源于位错滑移、形变孪晶和马氏体相变的依次激活，这些机制共同在相当宽的应变范围内维持了足够高的应变硬化率

CRediT作者贡献声明

刘远宏（Yuanhong Liu）：写作 – 审稿与编辑，写作 – 初稿撰写，调查研究，形式分析，数据整理。高思（Si Gao）：写作 – 审稿与编辑，写作 – 初稿撰写，监督指导，调查研究，资金获取，形式分析，概念构思。朴明浩（Myeong-heom Park）：写作 – 审稿与编辑，调查研究，资金获取，形式分析。吉田秀平（Shuhei Yoshida）：写作 – 审稿与编辑，调查研究，资金获取，形式分析。Reza Gholizadeh：写作 – 审稿与编辑

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何已知的竞争性财务利益或可能影响本文所报告工作的个人关系。

致谢

N.T和S.G感谢日本科学技术振兴机构（JST）通过CREST项目（项目编号：JPMJCR1994）提供的资金支持，感谢日本学术振兴会（JSPS）通过国际合作研究促进基金（国际领先研究）（项目编号：JP23K20037）和JSPS 科学研究基金（KAKENHI）（项目编号：25K08343和22K14509）提供的支持。Y.L感谢中国国家留学基金管理委员会（CSC），中国提供的资金支持。同步辐射实验

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