多相钢中不同微观组织的相特异性塑性模拟：离散位错动力学研究

《INTERNATIONAL JOURNAL OF PLASTICITY》：Phase-specific plasticity simulation of distinct microstructures in multiphase steels: A discrete dislocation dynamics study

　　

摘要

由马氏体、铁素体和珠光体组成的多相钢具有优异的力学性能。为研究BCC多相钢中的相特异性变形机制，本研究采用三维离散位错动力学（3D-DDD）框架，系统比较了马氏体、铁素体、珠光体以及马氏体-铁素体（MF）双相微结构的位错介导塑性。以铁素体为参考相，纳入了相特异性的晶粒形貌、初始位错源密度、晶界（GB）类型和相界面约束，以比较不同微结构的拉伸响应。模拟结果显示，尽管较高的初始位错源密度促进了马氏体中位错的激活，但长条状晶粒形貌和晶界相互作用强烈地限制了位错环的扩展和持续的跨晶传播。相比之下，铁素体表现出较高的位错迁移率，并由于其较弱的晶界障碍促进了晶间滑移，从而提高了整体延展性。在珠光体中，渗碳体-铁素体界面构成明显的位错运动障碍，诱发了几何必需位错（GND）的局部积累，并产生显著的应变梯度。随着层间距（ILS）减小，更密间距的渗碳体-铁素体界面越来越强烈地限制从铁素体晶界位错源发射的位错的扩展和传播，强调了这种约束在细层片状珠光体强化响应中的作用。马氏体-铁素体双相结构表现出随马氏体体积分数增加的非线性强化响应，这一响应与铁素体塑性应变积累的非单调演化关系更为密切，而与峰值界面GND积累关系不密切，同时界面GND对局部应变梯度强化有所贡献。这些结果为先进高强钢组成相的微观变形行为提供了机制性见解，并通过基于微结构的建模支持材料设计。

引言

经感应淬火处理的多相钢由于其优异的力学性能组合，尤其能承受高服役条件的能力，已得到广泛应用（Hu et al., 2024; Hu et al., 2021）。值得注意的是，这种多相钢表现出局部化的马氏体、铁素体、珠光体以及马氏体-铁素体双相微结构。因此，多相钢从表层到心部呈现出相、晶粒尺寸和位错密度的梯度分布，已被证明赋予钢材优异的疲劳和抗冲击性能（Gao et al., 2020; Gao et al., 2021a; Gao et al., 2021b）。为了更好地理解梯度微结构的宏观表征，已提出断裂力学模型来研究强度分布并评估疲劳寿命。既往研究（Hu et al., 2024; Hu et al., 2021）强调了感应淬火形成的梯度微结构显著增强了力学性能。尽管这些分析聚焦于多相钢的梯度微结构及其对疲劳性能的作用，但潜在的变形机制和梯度微结构的根本作用仍有待阐明。人们已设计多种梯度微结构以在保留延展性的同时显著提高材料屈服强度，从而减轻固有的强度-延展性权衡；这些包括梯度纳米晶（Wu et al., 2014）、梯度纳米孪晶（Zhu et al., 2019）、梯度纳米晶与纳米孪晶结合（Zhu et al., 2017）以及梯度层片状架构（Zhang et al., 2025b）。梯度微结构的卓越强度-延展性协同效应源于多种机制，包括补充应变硬化（Li et al., 2017）、局部化应变分配（Wu et al., 2016），以及几何必需位错（GND）积累所诱发的长程应力（Wang et al., 2019）。此外，异质结构中界面纳米孪晶的形成（Liu et al., 2011; Zheng et al., 2014）以及晶粒粗化与位错激活的协同耦合（Chen et al., 2017）是关键的强化-延展性协同机制。

在多相钢中，宏观力学响应不仅由位错-晶界（GB）相互作用决定，还由相特异性塑性和相界面效应所主导。马氏体通常作为硬的承载相，源于其条带状晶粒形貌、高初始位错密度以及对位错运动的强阻力。这些微结构特征促进异质的应力和应变分布，并在马氏体区域贡献显著的应变梯度强化（Fischer et al., 2024; Liu et al., 2023a）。在原子尺度上，分子动力学模拟表明马氏体中的晶界能够调节位错-边界相互作用。低角晶界（LAGB）通过密集的界面位错网络阻碍位错运动，而高角晶界（HAGB）倾向于吸收入射位错，并随着错配角增加表现出更强的阻挡效应（Katzarov et al., 2022）。分子动力学模拟还进一步表明，束状马氏体中的亚结构边界可通过界面位错网络与移动位错相互作用并修改局部错配角（Gong and Inoue, 2026）。相比之下，铁素体是较软的相，倾向于通过位错滑移和增殖承受较大比例的塑性应变。在马氏体-铁素体双相微结构中，硬马氏体和软铁素体相之间的力学对比导致应变不兼容、位错堆积以及在铁素体-马氏体界面附近的局部应力集中。有限元和实验研究表明，马氏体形貌和铁素体-马氏体界面约束强烈影响双相钢的局部强化、塑性应变分配和微损伤起始（Matsuno et al., 2020; Matsuno et al., 2019）。

对于珠光体微结构，塑性变形主要由铁素体片层承担，而渗碳体片层则作为强障碍约束位错运动并促进两相之间的载荷分配。既往研究表明，减小层间距（ILS）可增强渗碳体-铁素体界面的屏障效应，促进GND积累，并导致Hall-Petch型强化行为（Borchers and Kirchheim, 2016; Isavand and Assempour, 2021; Zhang et al., 2013）。Singh等人（2025）将微柱压缩实验与应变梯度晶体塑性建模相结合，表明减小的层片间距促进渗碳体-铁素体界面附近应变梯度的发展和GND积累，从而增强珠光体微结构的有效滑移阻力和强化效果。同步辐射衍射和建模结果进一步表明，铁素体与渗碳体之间的应力分配是层片状珠光体钢应变硬化的关键机制，与铁素体中位错介导的塑性流动密切相关（Gadalińska et al., 2020）。此外，原位拉伸观察表明，渗碳体-铁素体界面附近由位错堆积或多滑移带交汇引起的应力集中可能促进邻近基体的局部开裂（Wang et al., 2023）。分子动力学模拟进一步显示，倾斜层片状珠光体中层片的取向通过促进位错沿渗碳体片层方向运动以及界面附近铁素体的受限滑移影响局部变形，突出了渗碳体-铁素体界面约束在珠光体塑性中的作用（Yu and Duan, 2024）。

这些实验、连续尺度及原子尺度的研究发现表明，相依赖的位错活性和相界面约束是多相钢塑性变形和强化的核心。然而，定量追踪跨马氏体、铁素体、珠光体以及马氏体-铁素体双相微结构中位错的集体演化仍然具有挑战性。这促使采用介观三维离散位错动力学（3D-DDD）框架来研究BCC多相钢的位错介导变形机制。3D-DDD非常适合解析位错运动、位错相互作用以及它们与塑性变形和宏观力学响应的联系（Cui et al., 2021; Cui et al., 2018; Huang et al., 2017; Jamond et al., 2016; Lu et al., 2019; Xu et al., 2023）。既往关于BCC金属的DDD研究为位错迁移率、应变突发、辐照缺陷相互作用以及Mo、W、Ta和Fe中的尺寸依赖塑性流动提供了重要见解，但这些研究主要聚焦于单晶微柱或简化的单晶构型（Cui et al., 2016; Cui et al., 2020; El Ters and Shehadeh, 2019, 2020; Greer et al., 2008; Po et al., 2016; Yaghoobi and Voyiadjis, 2018）。物理基础的晶界处理也已在3D-DDD中得到发展，用于描述位错吸收、发射和晶界能量效应，为将DDD从单晶扩展到多晶微结构提供了重要的方法学基础（Cho et al., 2020; Zhang et al., 2021）。

对于马氏体，实验显示其具有比铁素体更高的屈服/流动阻力，而TEM观察和原子尺度模拟表明LAGB和HAGB在调节位错-边界相互作用方面发挥着不同的作用（Gong and Inoue, 2026; Katzarov et al., 2022; Ohmura et al., 2004）。现有的DDD研究已通过不同的理想化方法处理LAGB/HAGB-位错相互作用来考虑马氏体边界效应。Mahler等人（2021）采用基于束边界的位错代表性体积元（RVE）来表示马氏体束状结构对位错运动的约束，主要捕捉了LAGB的效应。Abou Ali Modad和Shehadeh（2024）分别考察了马氏体中束尺度LAGB和HAGB的作用，其中LAGB通过可穿透的纯位错阵列表示，而HAGB被处理为高摩擦、近乎不可穿透的障碍。Sun等人（2025）引入了预设的GND阵列来构建LAGB型亚结构，并在模型边界附近使用不可穿透障碍物来近似HAGB相关的强阻碍效应。Guo等人（2026）将马氏体表示为强不可穿透障碍物，关注其对周围相中位错运动的屏障效应，而非解析马氏体内部的位错运动及其与内部LAGB/HAGB的相互作用。这些研究证明了与LAGB/HAGB相关的边界效应在马氏体塑性中的重要性（Abou Ali Modad and Shehadeh, 2024; Guo et al., 2026; Mahler et al., 2021; Sun et al., 2025）。然而，它们并未直接阐明为什么马氏体在高初始缺陷密度和LAGB主导的晶界结构下仍能保持高强度，而两者通常预期会促进位错激活和塑性流动。本研究的3D-DDD分析通过考察初始缺陷密度、长条状晶粒形貌和LAGB/HAGB依赖的位错相互作用对马氏体中位错传播的联合效应来解决这一问题。

对于珠光体微结构，铁素体内部可穿透晶界与强相界面约束的共存带来了额外的复杂性。实验和连续模型表明，减小ILS可增强渗碳体-铁素体界面约束，促进GND积累并增加塑性流动阻力（Borchers and Kirchheim, 2016; Isavand and Assempour, 2021; Singh et al., 2025; Zhang et al., 2013）。然而，在位错层面尚不清楚ILS减小的强化效应是由渗碳体-铁素体界面密度的增加所主导，还是铁素体晶界源发射位错的扩展和传播受限也做出了重要贡献。类似地，对于马氏体-铁素体双相微结构，实验和有限元研究表明马氏体体积分数、形貌和相界面约束强烈影响强度、损伤耐受性和塑性应变分配（Liu et al., 2024; Liu et al., 2023b; Pierman et al., 2014）。同时，测得的强化响应并不与马氏体体积分数成比例增加，还受可达均匀应变和损伤诱导软化或断裂等因素的影响（Liu et al., 2024; Liu et al., 2023b）。综合而言，既往研究确立了马氏体-铁素体界面约束和塑性应变分配的重要性，但并未直接阐明非线性强化响应究竟是由界面位错/GND积累主导，还是由组成相塑性调节相关的其他变形机制主导。

本研究旨在利用3D-DDD框架系统比较BCC多相钢中相特异性的位错介导塑性。以铁素体作为软相参考，纳入了晶粒形貌、初始位错源密度、LAGB/HAGB分布和相界面约束方面的相特异性差异，以区分马氏体、铁素体、珠光体以及马氏体-铁素体双相微结构的变形响应。首先，通过马氏体、铁素体和珠光体之间的比较，阐明马氏体强化和珠光体界面强化的位错层面起源。其次，从渗碳体-铁素体界面约束及其对铁素体晶界位错源发射位错扩展和传播的影响角度，考察珠光体中ILS减小的强化效应。第三，马氏体-铁素体模拟量化铁素体塑性应变积累和界面GND积累，以评估它们在线性强化响应中的各自作用。

这些分析为将相特异性微结构特征和相界面约束与BCC多相钢的强化行为联系起来提供了机制性基础。本文余下部分的结构如下：第2节描述BCC金属3D-DDD模拟方法的构建，包括晶界相互作用模型的实现。第3节总结不同微结构的模拟过程。第4节呈现模拟结果并讨论马氏体、铁素体和珠光体的相特异性变形机制、珠光体中ILS减小的强化效应，以及马氏体-铁素体双相微结构的非线性强化响应。

第5节总结了本文。

## DDD-FEM耦合方法

离散连续方法（DCM）由Zbib和Diaz de la Rubia（2002年）提出，并在Zbib等人（1998年）的工作中初步发展，后来通过引入粗粒化函数（Huang等，2017年；Jamond等，2016年）进一步发展并应用于实际。耦合是通过将DDD模型计算的塑性应变传递给FEM模型，同时将FEM模型提供的应力反馈来实现的。该方法已被广泛用于研究不同金属的塑性变形，重点在于研究位错运动与交互作用。

## 计算模型

电子背散射衍射（EBSD）的结果揭示了多相钢中梯度结构的晶粒特征，而不同深度的位错密度分布则由X射线衍射（XRD）定量表征（Zhang等，2023a；Zhang等，2023b）。EBSD分析显示，马氏体中的高角度晶界（HAGB）分数（44%）低于铁素体-珠光体基体（81%）。马氏体还表现出细长的晶粒结构，与基体的粗晶粒形成对比。XRD结果显示……

## 结果与讨论

在室温下，对马氏体、铁素体和珠光体模型进行单轴拉伸变形模拟，以研究其微观响应。4.1-4.3节基于图1(a)-(c)所示的模型，提供了全面的分析结果。珠光体钢丝的拉拔工艺是通过应变诱导珠光体纳米结构化实现超高强度钢丝的关键制造过程，其实现方式为减小层间距（ILS）……

## 结论

本研究采用相分辨的三维DDD模拟，阐明了多相钢中各相的塑性机制、珠光体中层间距减小强化效应以及马氏体-铁素体微观结构中非线性强化机制。主要结论总结如下：

(1) 在马氏体中，高强度不能仅由高初始缺陷密度来解释。相反，细长的晶粒结构以及位错与低角度/高角度晶界的相互作用缩短了位错平均自由程……

## 作者声明

形式分析：张海波、张旭；调查研究：张海波、胡雅南、阚清华、康国政；方法论：张海波、张旭、陆松江、余俊世；验证：余俊世、胡雅南、阚清华；可视化：张海波、余俊世；初稿撰写：张海波；审校与编辑：张旭、陆松江、高杰伟、阚清华、康国政；经费获取：张旭、康国政；项目管理：康国政；软件：康国政……

## 未引用参考文献

Yilmaz等，2019

## CRediT作者贡献声明

张海波：初稿撰写、可视化、验证、方法论、形式分析、数据管理。张旭：审校与编辑、方法论、形式分析。陆松江：资源支持、方法论。余俊世：方法论、调查研究。高杰伟：资源支持、调查研究。胡雅南：资源支持、项目管理、经费获取、形式分析。阚清华：审校与编辑、验证、监督。康国政：审校与编辑、验证……

**作者列表：**
张海波 | 张旭 | 陆松江 | 余俊世 | 高杰伟 | 胡雅南 | 阚清华 | 康国政

四川省先进结构材料力学行为与服务安全重点实验室，西南交通大学力学与航空工程学院，成都，611756，中国