高性能材料的需求程度隨著工業(yè)化的快速發(fā)展而急劇增加，在諸多金屬材料中，鋼在建筑以及交通等領(lǐng)域中非常重要，但傳統(tǒng)鋼在強(qiáng)度、延展性和韌性之間存在著無法兼顧的問題，而Q-P-T鋼雖然具有優(yōu)良的力學(xué)性能，但其沖擊韌性因應(yīng)變誘導(dǎo)孿晶馬氏體對缺口敏感而存在重大挑戰(zhàn)。

近日上海交通大學(xué)陳乃錄研究員和香港城市大學(xué)呂堅(jiān)院士團(tuán)隊(duì)提出了一種新的多尺度設(shè)計(jì)方法使Q-P-T鋼的沖擊韌性增加了4倍，不僅展示了多尺度設(shè)計(jì)在壓應(yīng)力梯度和組織梯度上優(yōu)化鋼性能的潛力，而且為高性能材料在動(dòng)態(tài)載荷應(yīng)用中提供了一種可擴(kuò)展且經(jīng)濟(jì)的解決方案。相關(guān)研究結(jié)果以“Enhancing impact toughness of Q-P-T plain steels via multiscale design: Resolving the strength-toughness balance”為題發(fā)表在國際期刊《Scripta Materialia》上。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2025.116890

【核心內(nèi)容】

該研究利用了DAMAI效應(yīng)和QPT-LE模型使鋼中殘余奧氏體含量優(yōu)化到約10%，并通過細(xì)化碳顆粒提高了機(jī)械穩(wěn)定性。另外作者使用表面機(jī)械研磨處理（SMAT）的方式讓鋼表面形成了殘余壓應(yīng)力和微觀結(jié)構(gòu)梯度，增強(qiáng)了沖擊時(shí)的能量吸收。結(jié)果使Q-P-T鋼的沖擊韌性提高了4倍，同時(shí)保持了UTS1.8~2.1GPa的高強(qiáng)度。

圖形摘要

【研究方法】

該研究在1150℃下對Q-P-T鋼板熱軋，水淬至600℃后空冷至室溫（RT），隨后在830℃奧氏體化 360 s，淬火至190/170/150/130/110/90/70℃和RT，分區(qū)600s后水冷。作者以11.5 m/s的速度進(jìn)行SMAT，先用 Φ1.8mm 的 ZrO?球（20g）處理 20 分鐘，再用 0.5mm 的球（20g）處理 10 分鐘，以形成殘余壓應(yīng)力梯度和微觀結(jié)構(gòu)梯度。通過顯微硬度、沖擊測試和室溫拉伸測定力學(xué)性能，使用 XRD、SEM、EBSD、TKD 和 TEM表征材料的物相和微觀結(jié)構(gòu)等。

圓形試樣的SMAT處理裝置及其工作演示

【研究成果】

① 力學(xué)性能的優(yōu)化

優(yōu)化后Q-P-T鋼的沖擊韌性較優(yōu)化前提高了4倍，其中淬火溫度為 110℃的 Q-P-T 鋼在 SMAT 處理后，沖擊吸收能量（A k）從 8.93J 提升至 32.83J。在沖擊韌性提升的同時(shí)，材料保持了高強(qiáng)度，強(qiáng)度與韌性乘積（PST）較常見高強(qiáng)度工程鋼提升10倍，成本效益顯著優(yōu)于同類材料。

樣品制備方法及力學(xué)性能

不同狀態(tài)下Q-P-T鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表 Q-P-T鋼和Q-P-T + SMAT鋼在不同Tq下的力學(xué)性能

表 普通工程鋼的原材料成本、極限抗拉強(qiáng)度（UTS）、沖擊吸收能（Ak）和UTS ×Ak

② 表面梯度結(jié)構(gòu)的形成

該研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)殘余奧氏體含量（V_RA）約為10%時(shí)能有效減少脆性應(yīng)變誘導(dǎo)孿晶馬氏體，同時(shí)保持良好延展性，使沖擊韌性達(dá)到峰值。在SMAT處理后可以使材料表面形成包括0-40μm的納米晶區(qū)、晶粒尺寸40-50μm的過渡區(qū)和大于50μm的基體區(qū)的梯度結(jié)構(gòu)，表面硬度峰值約940HV，硬化層厚度約50μm，且高V_RA樣品能達(dá)到如80μm的更深硬化層。

XRD結(jié)果和相應(yīng)的V_RA

V形缺口表面晶粒尺寸和相分?jǐn)?shù)的梯度分布

明場和暗場像以及選區(qū)電子衍射圖：(a) 納米馬氏體，(b) 馬氏體孿晶，(c) 馬氏體板條與RA呈K-S取向關(guān)系，(d) Q-P-T (110) + SMAT鋼中η碳化物和 (e) NbC碳化物

③ 性能提升機(jī)理

研究通過DAMAI效應(yīng)促進(jìn)了位錯(cuò)跨馬氏體/奧氏體界面遷移，減少了馬氏體中位錯(cuò)的積累以增強(qiáng)變形能力，通過SMAT處理形成的微觀結(jié)構(gòu)梯度延緩了裂紋擴(kuò)展并促進(jìn)均勻變形，形成的殘余壓應(yīng)力梯度抵消了缺口拉應(yīng)力并降低裂紋驅(qū)動(dòng)力。

SMAT誘導(dǎo)的v形缺口尖端梯度壓應(yīng)力

Q-P-T + SMAT鋼的協(xié)同強(qiáng)化機(jī)制圖

【總結(jié)與展望】

這項(xiàng)研究通過多尺度設(shè)計(jì)的方法成功將Q-P-T鋼的沖擊韌性提升4倍的同時(shí)保持了高強(qiáng)度（UTS：1.8~2.1GPa），有效保證了“強(qiáng)度-韌性”的平衡，該多尺度設(shè)計(jì)為高性能低成本鋼材的開發(fā)提供了新框架，有望應(yīng)用于更廣泛的工程應(yīng)用場景，并為其它金屬的性能優(yōu)化提供可參考的研究思路。