導(dǎo)讀：對于結(jié)構(gòu)應(yīng)用來說，開發(fā)兼具高強(qiáng)度、延展性和韌性的鋼是非常理想的。本文實(shí)現(xiàn)了高斷裂韌性（129 MP am ）、高強(qiáng)度（~1.5 GPa 屈服強(qiáng)度）和高延展性（~37% 均勻伸長率）奧氏體不銹鋼。通過冷軋、閃光退火和回火工藝，該鋼顯示出由具有高密度位錯(cuò)的反奧氏體 (RA) 薄片和具有亞微米晶粒的部分再結(jié)晶奧氏體 (PRA) 薄片組成的異質(zhì)層狀微觀結(jié)構(gòu)。層狀界面是具有薄層析出物的原奧氏體晶界 (PAGB)。從本質(zhì)上講，大量晶界阻礙了裂紋的擴(kuò)展，增強(qiáng)了 PRA 薄片的抗斷裂性。RA 薄片中的位錯(cuò)單元充當(dāng)裂紋擴(kuò)展的軟屏障，使裂紋尖端變鈍并減少高密度位錯(cuò)對斷裂韌性的不利影響。外在，增韌機(jī)制包括 PRA 層中凹坑的深度膨脹、層狀界面的界面分層和相變誘導(dǎo)塑性 (TRIP) 效應(yīng)。我們的研究可能會(huì)促進(jìn)用于結(jié)構(gòu)應(yīng)用的高強(qiáng)度和高韌性奧氏體鋼和合金的發(fā)展。

為了減少能源消耗和環(huán)境污染，幾十年來，開發(fā)具有成本效益的用于輕量化部件的高強(qiáng)度高韌性金屬材料引起了業(yè)界的關(guān)注. 奧氏體不銹鋼具有高成型性和優(yōu)異的耐腐蝕和抗氧化性，但其粗晶微觀結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度通常較低 (< 350 MPa )，限制了它們的承載應(yīng)用。一般而言，晶粒細(xì)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化可提高奧氏體鋼和合金的屈服強(qiáng)度。然而，這些強(qiáng)化途徑不可避免地會(huì)犧牲斷裂韌性或拉伸延展性，同時(shí)提高材料的屈服強(qiáng)度。在不顯著影響其韌性和延展性的情況下提高奧氏體鋼和合金的屈服強(qiáng)度一直是一項(xiàng)長期存在的技術(shù)挑戰(zhàn). 為了實(shí)現(xiàn)所需的強(qiáng)度和延展性組合，已經(jīng)提出了一些策略，包括異質(zhì)結(jié)構(gòu)、梯度納米結(jié)構(gòu)和納米級孿晶，奧氏體鋼和高熵合金。這些研究中的大多數(shù)都致力于克服強(qiáng)度-延展性的權(quán)衡。盡管斷裂韌性是結(jié)構(gòu)部件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵機(jī)械性能，但關(guān)于高強(qiáng)度奧氏體鋼和其他合金的增韌策略的報(bào)道較少然而，動(dòng)態(tài)塑性變形也會(huì)在孿晶界和納米晶粒中引入高密度位錯(cuò)，導(dǎo)致應(yīng)變硬化能力和拉伸延展性嚴(yán)重下降。盡管熱退火可以在一定程度上進(jìn)一步調(diào)整微觀結(jié)構(gòu)以補(bǔ)償延展性的損失，但據(jù)我們所知，強(qiáng)度（~1 GPa 屈服強(qiáng)度）、延展性（18% 的斷裂伸長率）和韌性的最佳協(xié)同作用（ 138 MPa m  ) 仍為實(shí)驗(yàn)極限，有望進(jìn)一步提高。

最近，科研人員在中錳鋼中提出了一種新的增韌機(jī)制，即“高屈服強(qiáng)度誘發(fā)分層開裂和增韌”。他們的研究表明，激活分層增韌的兩個(gè)必要條件是高機(jī)械應(yīng)力和相對較弱的界面的存在。已實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度（~2 GPa 屈服強(qiáng)度）、延展性（~19% 均勻伸長率）和韌性（~102 MPa m）的協(xié)同作. 他們的結(jié)果啟發(fā)我們探索高強(qiáng)度奧氏體鋼的增韌策略。

在這項(xiàng)研究中，北京科技大學(xué)鋼鐵技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心武會(huì)賓教授聯(lián)合加拿大多倫多大學(xué)鄒宇教授等人通過結(jié)合冷軋、閃光退火和回火工藝，在具有相對薄弱層狀界面的低成本奧氏體不銹鋼中制備了異質(zhì)層狀顯微組織。實(shí)現(xiàn)了高斷裂韌性（129 MPa m）、高強(qiáng)度（~1.5 GPa 屈服強(qiáng)度）和高延展性（~37% 均勻伸長率）奧氏體不銹鋼。研究了這種奧氏體不銹鋼的顯微組織特征和力學(xué)性能；對其斷裂行為和增韌機(jī)制進(jìn)行了討論。相關(guān)研究成果以題“Superior fracture toughness in a high-strength austenitic steel with heterogeneous lamellar microstructure”發(fā)表再金屬頂刊Acta materialia上。

論文鏈接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135964542200026X

CFT 鋼顯示出由～75% 具有高密度位錯(cuò)的 RA 薄片和～25% 具有亞微米晶粒的 PRA 薄片組成的異質(zhì)層狀微觀結(jié)構(gòu)。沿層狀界面的薄 Cr 23 C 6層導(dǎo)致層狀界面（PAGB）的輕微弱化。這種弱化作用導(dǎo)致在超高屈服強(qiáng)度的協(xié)調(diào)下，片層界面和深凹坑的界面分層（即亞裂紋）。鑒于 CFT-RD 樣品中的主裂紋垂直于 PRA 和 RA 薄片，與 CFT-TD 樣品中的相比，深凹坑在基體中發(fā)展得更深，并且空隙和子裂紋的傳播方向垂直到主裂縫。

圖 1。狗骨形拉伸試樣和CT斷口試樣相對于CFT鋼板的三維取向示意圖。鋼板的背景是CFT鋼顯微組織示意圖。示意圖的黑色區(qū)域和綠色區(qū)域分別表示 RA 薄片和 PRA 薄片。

圖 2。(a) CFT 鋼中 TD 平面的 EBSD 反極圖 (IPF) 圖（改編自[23]，版權(quán)所有 2021 Elsevier Ltd）。(b) ND 平面的 SEM 圖像。插圖是標(biāo)記區(qū)域的放大圖像。(c) RD 平面的 EBSD IPF 圖。(d) 示意性三維模型闡明了 CFT 鋼中異質(zhì)薄片的微觀結(jié)構(gòu)特征。CFT 鋼中 RA 薄片 (e)（改編自[23]）、RA 和 PRA 共存薄片 (f) 和 PRA 薄片 (g) 的 TEM 顯微照片。(f) 中的虛線表示層狀界面。

圖 3a 顯示了 CFT 鋼的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線和相應(yīng)的加工硬化率 (WHR) 曲線。CFT-RD 樣品實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度和延展性的協(xié)同作用。CFT-RD試樣的上屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度和均勻伸長率分別為1479 MPa、1510MPa和36.6%。與CFT-RD試樣相比，CFT-TD試樣的上屈服強(qiáng)度略微降低至1430 MPa，表明在TD加載方向下CFT鋼的屈服過早出現(xiàn)。由于 CFT 鋼中的 PRA 薄片 (433 ± 30 HV) 比 RA 薄片 (547 ± 39 HV) 軟，因此與 CFT 鋼相比，周圍 RA 薄片對 PRA 薄片在 TD 加載方向變形的約束較弱。。圖 3b 顯示了用于計(jì)算塑性工作密度的各種 CFT 鋼的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。CFT-RD 和CFT-TD 樣品的塑性功密度分別達(dá)到602 MJ m -3和377 MJ m -3的水平。特別是，CFT-RD 樣品的塑性功密度與超細(xì)晶孿晶誘導(dǎo)塑性 (TWIP) 鋼 (598 MJ m -3 ) 相當(dāng)，其屈服強(qiáng)度約為超細(xì)晶的兩倍TWIP 鋼 (710 MPa) 。此外，CFT-RD 樣品的塑性功密度約為納米孿晶奧氏體不銹鋼的 5 倍（125 MJ m -3) 具有相當(dāng)?shù)那?qiáng)度 (1144 MPa) 。

圖 3。(a) CFT 鋼的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線和相應(yīng)的加工硬化率曲線（插圖）。CFT 770 -RD和CFT 780 -RD鋼分別表示閃光退火溫度為770°C和780°C的CFT鋼，加載方向?yàn)镽D。(b) CFT 鋼的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（c） CFT-RD 和 CFT-TD 樣品的J積分抗斷裂曲線（圖 S3）。插圖是兩個(gè)樣品的相應(yīng)力與負(fù)載線位移曲線。(d) CFT 鋼與其他具有不同基體相的代表性 AHSS 鋼的屈服強(qiáng)度與斷裂韌性的比較 [ 3 , 28 , [39] ,[40]、[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、[47]、[48] ] 和高熵合金

圖 4。(a) 斷裂 CFT-RD 樣品的示意圖。(b) CFT-RD 斷口的三維形貌。(c) CFT-RD 斷口上的 SEM 圖像。CFT-RD斷面上深凹坑（谷）（d）和峰（e）的放大形貌。

圖 5。(a) 斷裂 CFT-TD 樣品的示意圖。(b) CFT-TD斷面的三維形貌。(c) CFT-TD 斷口上的 SEM 圖像。(d) CFT-TD斷面上深而細(xì)的凹坑的放大形貌。

圖 6。(a) PRA 薄片中裂紋擴(kuò)展的示意圖。(b-f) PRA 中裂紋擴(kuò)展的原位 TEM 顯微照片，顯示了晶界對裂紋擴(kuò)展的阻礙作用。GB 表示晶界。(g) PRA 中裂紋擴(kuò)展和空隙聚結(jié)的原位 TEM 顯微照片。有關(guān)詳細(xì)信息，請參閱視頻 1 和 2。(bg) 中的藍(lán)色箭頭表示裂紋的擴(kuò)展方向。

圖 7。(a) RA 薄片中裂紋擴(kuò)展的示意圖。(b-f) RA 中裂紋擴(kuò)展和空洞合并的原位 TEM 顯微照片，顯示位錯(cuò)單元壁對裂紋擴(kuò)展的阻礙作用。DC表示位錯(cuò)單元。（g-j）裂紋通過 RA 細(xì)胞壁擴(kuò)展的原位 TEM 顯微照片。(k-n) RA 位錯(cuò)單元內(nèi)裂紋擴(kuò)展的原位 TEM 顯微照片。有關(guān)詳細(xì)信息，請參見視頻 3 (bf)、4 (gj) 和 5 (kn)。(b、c、g 和 k) 中的藍(lán)色箭頭表示裂紋的擴(kuò)展方向。

圖 8。(a) CFT-RD CT 樣品中平面截面裂紋擴(kuò)展路徑的 SEM 圖像。(b) (a) 中標(biāo)記區(qū)域的放大 SEM 圖像。藍(lán)色和紅色箭頭分別表示深凹坑和亞裂紋。(c) CFT-RD 的 CT 樣品中裂紋擴(kuò)展示意圖。通過背散射電子成像觀察到的 CFT-RD 樣品裂紋尖端前的深凹坑 (d)、細(xì)凹坑 (e) 和空隙 (f) 的 SEM 圖像。（df）中的白色虛線表示層狀界面。

圖 9。(a) CFT-TD 的 CT 樣品中平面截面上裂紋擴(kuò)展路徑的 SEM 圖像。(b) (a) 中標(biāo)記區(qū)域的放大 SEM 圖像。藍(lán)色和紅色箭頭分別表示深凹坑和亞裂紋。(c) CFT-TD 的 CT 樣品中裂紋擴(kuò)展示意圖。通過背散射電子成像觀察到的 CFT-TD 樣品裂紋尖端前的細(xì)凹坑 (d)、深凹坑 (e) 和空隙 (f) 的 SEM 圖像。（df）中的白色虛線表示層狀界面。

圖 10。(a) 跨層狀界面的 APT 分析顯示 Cr 23 C 6析出物。析出物 (a) 的形態(tài)圍繞 Z 軸旋轉(zhuǎn)了 45° (b)、90° (c) 和 135° (d)。(e) (a) 的垂直和 (f) 底視圖圖像。(g) 直方圖顯示了層狀界面上的成分變化。

圖 11。(a) CFT-RD 的 CT 樣品中平面剖面裂紋路徑和 EBSD 檢測位置示意圖（I，裂紋尖端；II 和 III，距裂紋尖端 150 μm 和 400 μm）。位置 I 附近的 EBSD 相位圖 (b) 和圖像質(zhì)量圖 (c)。位置 II 和位置 III 附近的 EBSD 相位圖 (d) 和 (e) 如 (a) 所示。(be) 中的白色虛線表示層狀界面。(f) 裂紋尖端 2 mm 范圍內(nèi)的 XRD 結(jié)果。

圖 12。(a) CFT-TD 的 CT 樣品中平面剖面裂紋路徑和 EBSD 檢測位置示意圖（I，裂紋尖端；II 和 III，距裂紋尖端 150 μm 和 400 μm）。位置 I 附近的 EBSD 相位圖 (b) 和圖像質(zhì)量圖 (c)。位置 II 和位置 III 附近的 EBSD 相位圖 (d) 和 (e) 如 (a) 所示。(be) 中的白色虛線表示層狀界面。(f) 裂紋尖端 2 mm 范圍內(nèi)的 XRD 結(jié)果。

圖 14。CFT-RD（ad）和CFT-TD（eg）樣品的增韌機(jī)理模型示意圖。CFT-RD(h)和CFT-TD(i)的CT樣品示意圖表明，在平面應(yīng)變條件下，裂紋尖端前存在三軸拉應(yīng)力狀態(tài)。

在這項(xiàng)研究中，我們在使用 CFT 工藝制造的高強(qiáng)度（~1.5 GPa 屈服強(qiáng)度）和延展性（~37% 均勻伸長率）奧氏體不銹鋼中實(shí)現(xiàn)了卓越的斷裂韌性（129 MPa m）。闡明了這種奧氏體不銹鋼的斷裂行為和增韌機(jī)制。PRA片層中大量的晶界有效地阻礙了裂紋的擴(kuò)展，提高了鋼的抗斷裂能力。在RA片層中，位錯(cuò)胞壁作為裂紋擴(kuò)展的軟屏障，裂紋在位錯(cuò)胞內(nèi)擴(kuò)展時(shí)仍然是鈍化的，減少了高密度位錯(cuò)對斷裂韌性的不利影響。在 CFT-RD 樣品中，深凹坑在基體中的更深發(fā)展導(dǎo)致了更曲折的裂紋路徑，耗散了更多能量并提高了斷裂韌性。CFT-RD 樣品中子裂紋和空洞的擴(kuò)展不僅消耗能量，而且阻止了主裂紋的擴(kuò)展，從而導(dǎo)致更高的斷裂韌性。此外，CFT-RD 樣品中的裂紋擴(kuò)展垂直于 PRA 和 RA 薄片，導(dǎo)致更大的塑性區(qū)。因此，與 CFT-TD 樣品相比，CFT-RD 樣品的斷裂韌性提高也歸因于較大的塑性區(qū)引起的更強(qiáng)的 TRIP 效應(yīng)。