一、研究的背景与问题

为满足可持续性发展的要求，全球工业界一直致力于开发及应用高强高韧的轻质、低成本新型结构材料。然而，材料的强度（承载能力）和韧性（抗断裂能力）往往是两者不可兼得。材料强度的提升往往会降低其韧性，导致材料脆性增加，阻碍其工业应用。

    通常来讲，结构材料的硬化是通过引入大量不同尺度的缺陷来阻碍位错滑移实现的。然而，局部区域的位错缠结会造成应力集中,可引起裂纹萌生并最终导材料的突然断裂和提前失效。长期以来，材料科学家们致力于通过调控微观组织或合金成分来实现强度与韧性的平衡。多元高、中熵合金由于形变诱发的纳米孪晶机制在低温条件下具有良好的抗断裂能力。航空航天用马氏体时效钢是目前公认的拥有较好断裂韧性的超高强金属材料。然而,马氏体时效钢含有大量昂贵的合金元素，例如镍(17-19wt%)，钴(8-12 wt%)和钼(3-5wt%)。尽管合金化可有效提高结构材料的力学性能，但由于成本和环境问题，合金化并不适用于经济化的大规模生产。晶粒细化是一种可以同时提高强度和韧性的非合金化方法。然而，晶粒细化会极大的降低材料的塑性。上述研究均无法开发具有延展性，抗断裂性和低成本的超高强度钢。因此，发展超高强度同时兼备优良塑性与韧性的结构材料，一直是材料科学家及工程师过去几十年间希望解决的世界级科学难题。尤其是当屈服强度进入2GPa的超高范畴时，进一步改善材料韧性的难度成倍增加。

二、解决问题的技术思路

基于断裂力学的理论，系统地评估了超高强钢的断裂韧性并分析了相关韧化机制。值得注意的是，断裂韧性是描述材料抵抗裂纹扩展和断裂的能力，直接决定了材料的应用价值。然而，断裂韧性无法由普通静态单向拉伸实验准确评估。断裂机理/韧化机制反应了在裂纹尖端特定组织结构处发生的独特的裂纹萌生和扩展过程。这与拉伸实验描述的塑性变形完全不同。因此，该项研究利用拉伸实验结合J积分抗断裂曲线，系统研究高强材料的断裂行为。

该研究所用材料为低成本中锰钢，其化学成分为：Fe-9.95%Mn-0.44%C-1.87%Al-0.67%V(质量百分比)，并由先进材料加工工艺“变形及配分”（deformed and partitioned, D&P）方法制备（图1）(1)。D&P工艺利用位错工程设计理念，通过轧制结合热处理提高材料的位错密度以同时获得高强度和良好的延展性。

三、主要创新性进展

中锰钢经过“变形和配分”工艺处理后，获得了沿轧制方向拉长的马氏体/奥氏体双相层状组织（图2）。由中子衍射测定的奥氏体体积分数为47.5%。由于变形处理（包括热轧、温轧和冷轧），D&P钢具有极高的位错密度。利用中子衍射测定马氏体基体的位错密度为2.43´10⁶m²，至少比其他马氏体钢的位错密度高一个数量级。特别要注意的是，原奥氏体晶粒边界(PAGBs)被保留在组织结构中。通过三维原子探针(APT)对D&P钢原子尺度组织结构的进一步分析，可以发现Mn和C在PAGB上的偏析（图2）。这种锰富集PAGB将对D&P钢的力学性能产生极大的影响。

为了评价D&P钢的力学性能，研究者测试了高强D&P钢在RD和TD两个方向上的拉伸性能和J积分抗断裂曲线 （图3）。对于RD(或TD) 单向拉伸试样，其拉伸方向沿着(或垂直于)拉长的奥氏体晶粒(图3A)。相应的，对于 RD(或TD) 断裂测试用紧凑拉伸C(T)试样，其缺口和裂纹扩展方向与拉长的奥氏体晶粒垂直(或平行)排列。得益于D&P钢极高的位错密度，RD试样具有很高的强度和塑性。其上屈服强度、抗拉强度和均匀延伸率分别为1978 MPa、2144 MPa和19.0%。TD试样同样具有很高的强度，其抗拉强度为2048 MPa，与RD试样相似。然而，TD试样的塑性变形更早开始，其屈服强度为1714 MPa。

为了阐明D&P钢超高强度、韧性组合背后的机理，我们对RD和TD C(T)试样不同截面上的微观结构进行了表征(图4A和E)。我们利用扫描电镜(SEM)对断口表面特征区域进行了表征，发现在RD和TD试样断口表面均存在大量的分层裂纹(图4)。具体地，原本1.4 mm厚的RD试样沿厚度方向分裂成若干薄层。值得注意的是，RD样品中的分层裂纹具有不同的尺度，既有贯穿样品的长裂纹，也有大量长度只有几微米的细小分层裂纹，使得形成厚度只有几微米的薄分层带(图3B中的A区)。D&P钢的多尺度分层增韧现象与在其他材料中观察到的分层现象有很大不同。分层开裂增韧机制同样在TD试样中启动。但与RD试样相比，TD样品中的分层裂纹数量较少且长度较短。

为了阐明D&P钢中分层开裂增韧的微观机制，我们在垂直于断面的剖面上进一步表征了相关组织结构并系统统计分析了开裂裂纹的长度分布（图4）。RD试样中的分层裂纹可以分为两类：长度<50 um的短裂纹（图4C中的蓝色箭头所示）和长度为≥50 um的长裂纹（图4C中的深红色箭头所示）。此外，在长的分层裂纹附近通常可以观察到与断裂面分离的细长裂纹（图4C中的粉红色箭头所示）。分层裂纹尖端的进一步表征清楚地表明，这些裂纹主要沿PAGB扩展（图4C）。在TD试样中，只观察到长度小于50um的短分层裂纹（图4G）。显然，分层开裂增韧在RD试样中更易启动。另外，高强高韧D&P钢的相变诱导塑性（TRIP toughening）也进一步提高了该材料的断裂韧性（图4D和H）。

启动分层开裂增韧需要两个必要条件：在微观结构上，必须有“相对较弱界面”以协助开裂；在能量上，必须具有超过“弱界面”临界断裂应力的“高机械应力”来拉开“弱界面”。在D&P钢中，Mn-富集的PAGB依然具备较高的结合强度，但对比于拥有大量位错的晶粒内部，PAGB的强度由于Mn的偏析而较低（图2 C）。相反的，无论马氏体时效钢的屈服强度有多高，分层开裂增韧都无法在马氏体钢中启动，这是因为马氏体时效钢不存在类似于Mn富集的PAGB的具有较低结合能的界面。

图5所示的裂纹萌生断裂韧性-屈服强度Ashby图进一步证明了D&P钢与其他超高强度结构材料对比具有极佳的强度-韧性组合。D&P钢具有与现时最强的金属材料-马氏体时效钢相当的强度，而其断裂韧性则高达两倍。同时，D&P钢具有与钛合金同水平的高断裂韧性，但其强度是钛合金的两倍。D&P钢强度和韧性的完美组合清楚地表明，“高屈服强度诱导多尺度分层开裂增韧”机制可在有效提高结构材料力学性能的同时，最大限度地降低材料成本。该项研究获得了力学性能上的巨大跃升，并开创性地提出高屈服强度诱发晶界分层开裂增韧新机制，打破了传统认为的提高强度会降低材料断裂韧性的常识，为发展高强高韧金属材料提供了新的材料设计思路。此项突破性研究发表于《SCIENCE》杂志上，文章题目为《Making Ultrastrong Steel Tough by Grain-Boundary Delamination》(2)。

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四、应用前景

在工业应用上，高端的钢材必须具有良好的断裂韧性以提高材料的耐用性及避免构建提前失效导致意外。该项研究的超强D&P钢可通过轧制与热处理等工业界广泛使用的加工方法制造，无需复杂工序，适合大规模工业化生产与应用。D&P 钢在高端钢材要求的高强度、延展性和韧性三个重要指标，均达到史无前例的高水平，目前没有任何钢铁材料能及。D&P 钢正申请多国专利，并与业界合作，首先在高强桥梁缆索和汽车弹簧等方面制作原型，有望把研发成果工业化和商品化。D&P 钢具备极大的潜力应用于制造高级防弹衣、高强桥梁缆索、汽车及装甲运兵车的的轻量化、航空航天领域、建筑领域的高强螺栓和螺母等多方面。

信息来源：香港大学机械工程系黄明欣教授团队

References

1.B. He et al., High dislocation density–induced large ductility in deformed and partitioned steels. Science 357, 1029-1032 (2017).

2. L. Liu et al., Making ultrastrong steel tough by grain-boundary delamination. Science, (2020). DOI: 10.1126/science.aba9413.