現代工程領域對低成本且高性能的結構材料需求迫切，但材料領域長期存在強度提升常以延展性和韌性為代價的固有權衡問題，現階段側重于調整基體合金元素或調控位錯、晶界和/或相界等缺陷來解決強塑性不匹配問題，但這些方法常添加過多合金元素，使材料成本升高，或因工藝復雜、易變形不均等而產生局限。

據了解，近日《PNAS》期刊上報道了一種由板條馬氏體和富碳殘余奧氏體組成的異質鋼，裂紋尖端出現了異常的大量位錯吸收。裂紋前端韌奧氏體對位錯的吸收顯著緩解了局部應力集中，從而延緩了回火馬氏體中的裂紋擴展。這使得通過簡單的淬火-配分-回火工藝制造的鋼能夠獲得優異的強塑性及韌性，為開發低成本的高強度延展性鋼和其他具有類似顯微組織的合金提供了一條有前景的途徑。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2511830122

該研究通訊作者為中國科學院上海光機所楊上陸研究員、香港城市大學呂堅院士、美國加州大學伯克利分校Robert O. Ritchie院士和上海交通大學陳乃錄研究員，論文共同第一作者為張家志博士、于秦博士和田佳壯博士，相關工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、國家自然科學基金/香港研究資助局聯合科研資助基金、中國博士后科學基金等支持。

【核心內容】

在這項工作中，研究人員們發現經Q-P-T工藝處理的鋼，在裂紋前端出現了不常見的大量位錯吸收（DACF）現象，還有馬氏體與奧氏體界面間的位錯傳輸（DAMAI）效應。這兩種情況能明顯減輕局部應力集中，阻止裂紋繼續擴散，使這種鋼的強塑積超過50GPa?%，斷裂韌性也超過130MPa?m¹/²。

【研究方法】

該研究團隊先對Fe-0.67C-1.48Mn-1.53Si-0.038Nb（wt.%）成分的鋼做歸一化預處理，再用淬火-分配-回火（Q-P-T）工藝完成制備。之后用XRD、EBSD、TEM、3D-APT、XLPA技術分析鋼里的相組成、微觀組織、元素分布和位錯密度，通過拉伸試驗測出鋼的力學性能，并借助原位TEM觀察裂紋擴展時位錯的運動情況，最后結合分子動力學模擬，驗證了位錯傳輸的合理性。

【研究成果】

① 力學性能突破

該研究中所制備的Q-P-T鋼綜合力學性能特別優異，其縱向強塑積超過了50GPa?%，斷裂韌性能達到130MPa?m¹/²，試樣的橫向力學性能也同樣良好，強塑積可達到42.1GPa?%，斷裂韌性78.5kJ?m?²，整體的損傷容限比現在已有的低合金鋼更優秀。

Q-P-T樣品的機械性能和斷裂特性

力學性能對比圖

② 微觀結構

Q-P-T鋼中具有回火馬氏體（α）和殘余奧氏體（γ）混合的異質結構，其中殘余奧氏體（γ）占總體積的14.5%，碳含量達到1.37wt.%，可以使鋼材在達到穩定性的同時又可以獲得韌性。回火馬氏體（α）里的η-碳化物和NbC能起到沉淀強化的作用，為鋼材力學性能的提升提供了結構基礎。

異質Q-P-T鋼的微觀組織

③ 核心機制

該研究首次觀察到了裂紋前端中大量位錯吸收（DACF）現象和馬氏體/奧氏體界面位錯傳輸（DAMAI）效應，前者緩解了α及界面應力集中和阻礙了裂紋擴展，后者提升了材料的延展性，二者協同作用突破了合金強韌性權衡難題。

Q-P-T樣品裂紋前沿塑性區的增韌機制

Q-P-T試樣裂紋前沿轉變區的增韌機理

【總  結】

這項研究中的Q-P-T鋼具有回火馬氏體和殘余奧氏體的異質結構，存在DAMAI效應和DACF現象，使鋼材鋼材的強塑積超過了50GPa?%，斷裂韌性也超過130MPa?m¹/²，該性能不僅優于現在已有的低合金鋼，而且成本低、容易生產，具有較高的價值。