兼具高強度和高塑性的先進結(jié)構(gòu)材料對于實現(xiàn)減重、節(jié)能減排以及經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展是至關(guān)重要的。然而，傳統(tǒng)的材料設(shè)計方法往往在提高強度的同時損耗塑性，難以實現(xiàn)兩者兼得。近年來，為了改善強度和塑性無法權(quán)衡的問題，雙相結(jié)構(gòu)設(shè)計在材料開發(fā)中扮演越來越重要的角色，雙相設(shè)計的基本原理在于利用兩相中軟相良好的變形能力提供塑性。軟相首先發(fā)生變形，當(dāng)軟相變形到一定程度后，迫使硬相依靠界面強化提高強度。這種傳統(tǒng)的雙相材料當(dāng)硬相強度遠(yuǎn)高于軟相時，裂紋極易在雙相界面處萌生，損害材料塑性。

哈爾濱工程大學(xué)張中武教授團隊為解決上述問題，創(chuàng)新性地提出了一條反常規(guī)的設(shè)計方法，發(fā)明了具有框架結(jié)構(gòu)的時效馬氏體-奧氏體雙相鋼。該方法利用雙相鋼中的硬相即時效馬氏體控制塑性變形并構(gòu)成顯微框架結(jié)構(gòu)，軟相奧氏體被包裹在馬氏體形成的框架中。相關(guān)研究以題為“Mechanical properties and deformation mechanisms of a novel austenite-martensite dual phase steel”發(fā)表在International Journal of Plasticity上，第一作者為許松松博士，這也是許松松博士在該刊上發(fā)表的第二篇論文。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0749641919306448

該方法的實現(xiàn)方式是通過巧妙的成分和工藝設(shè)計形成含銅馬氏體和奧氏體雙相鋼。利用Cu在奧氏體中具有較高的固溶度而在馬氏體中固溶度低的特點，通過簡單的時效處理，在馬氏體中形成大量細(xì)小彌散的富銅和NiAl納米相，而進一步大幅度提高硬相馬氏體的強度，使高強度馬氏體形成顯微框架結(jié)構(gòu)控制屈服點而大幅提高雙相鋼的強度。

更重要的是，時效強化后硬相馬氏體可以通過其晶粒間同步變形和轉(zhuǎn)動首先充分釋放本身的塑性，隨后馬氏體和奧氏體雙相間動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變配分誘導(dǎo)雙相協(xié)同變形，并觸發(fā)奧氏體的奧氏體相的相變誘導(dǎo)塑性（TRIP）效應(yīng)，形成加工硬化平衡區(qū)進一步貢獻(xiàn)塑性。同時，雙相協(xié)同變形和動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變配分有效抑制了界面處應(yīng)力集中，延遲了裂紋的萌生。從而實現(xiàn)了通過簡單的馬氏體時效提高硬相強度形成顯微框架的方法使鋼的強度和塑性成倍協(xié)同提高。

本方法不僅實現(xiàn)了在馬氏體-奧氏體雙相鋼中通過簡單的時效處理提高硬相而使強度和塑性同時成倍提高，也可能為新型雙相合金的設(shè)計提供一種新的思路。

本研究中顯微框架結(jié)構(gòu)的確定以及雙相協(xié)同變形機制的闡釋得益于我國原位中子衍射技術(shù)的發(fā)展。中國工程物理研究院綿陽反應(yīng)堆原位中子衍射技術(shù)為探究新型雙相鋼強韌化機制提供了技術(shù)保障。本研究得到國家自然科學(xué)基金和黑龍江省杰出青年科學(xué)基金資助。
 

圖一雙相鋼在時效前（a）與時效后（b）的顯微結(jié)構(gòu)表征圖。從圖中可以看出雙相鋼主要由馬氏體和奧氏體組成，時效處理后由于形成部分逆變奧氏體使奧氏體體積含量略有增加


圖二雙相鋼的（a）顯微硬度表征，以及（b-f）雙相中納米相三維原子探針表征結(jié)果。從圖中可以看出時效處理后在馬氏體中析出大量的富銅和NiAl納米相，時效后馬氏體相的硬度大幅提升。時效后在奧氏體中無納米相析出，奧氏體的硬度也不隨時效處理而變化。


圖三新型雙相鋼的（a）工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及（b）其與其它合金性能對比圖。時效處理后強度和塑性都大幅提高。


圖四雙相鋼時效強化前（a）原位中子衍射測試晶格應(yīng)變-應(yīng)力圖和（b）附有加工硬化率的真應(yīng)力應(yīng)變曲線


圖五 雙相鋼（a）時效后原位中子衍射表征晶格應(yīng)變-應(yīng)力變化圖，（b）歸一化后衍射強度和（c）半峰寬隨著應(yīng)力變化圖，（b）附有加工硬化率的真應(yīng)力應(yīng)變曲線以及（e）其拉伸變形后奧氏體的KAM圖。從圖可以看出，馬氏體在材料屈服后首先變形釋放塑性，隨后雙相協(xié)同變形并結(jié)合奧氏體TRIP效應(yīng)，形成加工硬化平衡區(qū)，進一步提高塑性。