科学家构建新型超高强钢

中国科学院上海光学精密机械研究所研究员杨上陆团队联合香港城市大学讲座教授吕坚团队、美国加州大学伯克利分校教授罗伯特·里奇团队以及上海交通大学研究员陈乃录团队，打破传统认知，发现了裂纹前端吸收位错（DACF）现象，并突破超高强钢的“强度-塑性-韧性”组合极限，构建了一种兼具超高强度、塑性和韧性的新型超高强钢。相关研究近日发表于美国《国家科学院院刊》。

低成本且高性能的结构材料，一直是激光智能制造应用领域追求的目标。然而，受限于其物理本质特征，提高材料强度通常以牺牲塑性和韧性为代价，导致“强度-延性”和“强度-韧性”之间形成了倒置关系。针对此问题，目前主流方法侧重于调整基体合金元素或调控位错、晶界或相界等缺陷。然而，添加过多的合金元素，无疑会使得材料成本会成倍增加，调控材料缺陷的多步锻造或轧制工艺更为复杂。

基于前期发现的位错越过马氏体/奥氏体界面（DAMAI）现象，研究团队设计并制备了一种低成本的高碳“淬火-分配-回火”（Q-P-T）钢。该材料主要由贫碳的回火马氏体（α:其中奥氏体是高温下形成的面心立方结构高韧性相）和稳定的富碳残留奥氏体（γ: 马氏体是淬火过程中形成的高强度相）组成。

Q-P-T超高强钢微观结构图。图片由研究团队提供

论文第一作者张家志和田佳壮介绍，在形变过程中，奥氏体引发了DAMAI效应，位错不断越过界面，最终导致马氏体“软化”且形变能力提高，同时运动至奥氏体的位错导致奥氏体“硬化”，在保持强塑积的同时断裂韧性大幅提升。

此外，在断裂过程中，裂纹前端塑性区发生DAMAI效应，裂纹前端相变区发生了异常的DACF效应。具体而言，马氏体中的位错不断被裂纹前端高韧性奥氏体吸收，显著缓解了马氏体中的应力集中，推迟了裂纹在马氏体中的扩展。 该研究将有助于开发高强韧的马氏体钢以及其他具有应变诱发马氏体相变（SIMT）现象的高性能合金。