制造用于汽車應用的輕量化結(jié)構(gòu)一直是人們的追求，實現(xiàn)這一目標的有效方法是采用先進高強度鋼（AHSS）。除了高強度外，斷裂韌性對于結(jié)構(gòu)材料也是必不可少的。然而，這兩種理想的性能對于大多數(shù)結(jié)構(gòu)材料（如鋼）來說是相互排斥的，這種與生俱來的沖突是眾所周知的強度-韌性權(quán)衡。這種矛盾可以通過考慮鋼的強化旨在阻止或抑制各種缺陷的位錯滑行來理解，這將不可避免地誘發(fā)應變定位甚至引發(fā)微裂紋。因此，這些加固方法不適用于抗斷裂性至關(guān)重要的應用。另一方面，對鋼斷裂韌性的主要貢獻來自裂紋尖端附近的位錯活動。這種機制導致了一個普遍但不幸的結(jié)論：具有較高強度的鋼將具有更有限的位錯運動，因此斷裂韌性較低。

來自香港大學黃明欣團隊研究了通過兩種熱機械工藝（即臨界退火 (IA) 和室溫淬火和配分 (RT Q&P)）制造的中錳鋼的拉伸和斷裂行為。IA 鋼由超細晶粒、完全再結(jié)晶的鐵素體和奧氏體組成，而 RT Q&P 鋼由馬氏體基體和殘余奧氏體組成。IA 鋼中的奧氏體由于其較低的碳含量而不太穩(wěn)定。高分辨率顯微數(shù)字圖像相關(guān)(micro-DIC) 結(jié)果顯示 RT Q&P 鋼邊界處的適度應變局部化。相反，應變高度集中在 IA 鋼的奧氏體中，使奧氏體迅速轉(zhuǎn)變?yōu)樾迈r馬氏體，促進加工硬化率，即轉(zhuǎn)化誘導可塑性(TRIP) 效應。然而，這種密集的 TRIP 會導致邊界處的過早脫粘和沒有后伸長的突然斷裂。還測量了兩種鋼的基于 J 積分的電阻曲線（J-R 曲線）。由于其頻繁的馬氏體開裂和晶間剝離，IA 鋼的裂紋起始韌性降低了 22%。相比之下，RT Q&P 鋼中的分級微觀結(jié)構(gòu)抑制了脆性斷裂并使裂紋尖端顯著鈍化，從而獲得了高斷裂韌性。目前的工作說明了 TRIP 對延展性和斷裂韌性的雙重作用，即強化 TRIP 對拉伸強度和均勻伸長率有用，但對斷裂韌性有害，這與 TRIP 對延展性和韌性均有益的普遍看法相矛盾。相關(guān)文章以“The dual role of TRIP effect on ductility and toughness of a medium Mn steel”標題發(fā)表在Acta Materialia。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118629

圖 1.（a）RT Q&P鋼和（b）IA鋼的加工路線

圖 2.RT Q&P（a-c）和IA鋼（d-f）的初始微觀結(jié)構(gòu)。（a）奧氏體和BC圖的IPF。（b）HAADF圖像，SAED在藍色圓圈中，區(qū)域軸是奧氏體的[011]。（c）RT Q&P鋼，奧氏體和馬氏體的白色矩形內(nèi)的放大TEM圖像分別用藍色和紅色箭頭表示。（d） 奧氏體的IPF和BC圖。（e）HAADF圖像。

圖 3.IA和RT Q&P鋼的拉伸行為，（a）工程應力 - 應變曲線，DIC結(jié)果在插圖中應變。（b）真實應力 - 應變和加工硬化速率曲線。（c）奧氏體部分和（d）拉伸期間的維氏硬度演變。

圖 4 RT Q&P鋼的 Micro-DIC 結(jié)果：(a) 相圖，馬氏體為紅色，奧氏體為藍色；(b) 測試前平面法線的 IPF 圖；(c)至 (e) 局部全局應變?yōu)?3%、7% 和 10% 時的單軸應變分布；(f)局部應變隨全局應變的演化；(g) 沿 (e)、(h) 斷裂面中白色實線的應變局部化。

圖 5.RT Q&P鋼的斷續(xù)裂紋萌生測試.（a）初始相圖，（b1）IPF和（b2）第一個選定區(qū)域的SEM.（c1）IPF和（c2）第二個選定區(qū)域的SEM.（d）顯示裂紋路徑的斷裂樣品的SEM.（e）DIC計算的Von-Mises應變.

圖 6.IA和RT Q&P鋼的裂紋增長行為.（a）IPF，（b）RT Q&P C（T）樣品的相圖.（c）IPF和（d）IA C（T）樣品的相圖。

圖7.兩種鋼的斷裂機理的統(tǒng)計結(jié)果和說明.（a）和（b）是RT Q&P鋼，虛線代表裂紋路徑，紅線是沿邊界開裂，藍線是跨晶斷裂.（c）和（d）是IA鋼，鐵素體晶粒是紅色，新鮮馬氏體晶粒是藍色，虛線表示裂紋路徑，綠線表示馬氏體開裂，黃線表示邊界脫裂，灰線表示鐵氧體開裂。

在目前的工作中，通過 IA 和 RT Q&P 路線處理 MMS，并測試和比較它們的拉伸和斷裂性能。IA 鋼由再結(jié)晶、超細晶粒鐵素體和奧氏體組成，屈服應力相對較低。然而，由于大量的TRIP 效應，其加工硬化率和均勻伸長率相當可觀。相比之下，RT Q&P 鋼由于其具有密集位錯的馬氏體基體而具有更高的屈服應力。它的加工硬化率單調(diào)下降，導致較低的均勻伸長率。

拉伸試驗期間的高分辨率顯微 DIC 結(jié)果表明兩種鋼都發(fā)生了應變局部化。對于 RT Q&P 鋼，較高的應變位于 PAGB、包和塊邊界。在IA鋼中，應變主要集中在奧氏體區(qū)，這種優(yōu)先的應變分配導致馬氏體相變豐富而快速。

與 RT Q&P 鋼相比，IA 鋼盡管具有較低的屈服應力，但出人意料地具有更差的裂紋起始韌性。 RT Q&P 鋼中的裂紋可以延展方式擴展，并涉及顯著的塑性變形。另一方面，由于大量的新鮮馬氏體和晶粒間顯著的應變梯度，馬氏體開裂和晶間分離主導了 IA 鋼的斷裂過程。

對于IA鋼，更多的TRIP效應顯著提高了加工硬化率和拉伸塑性。然而，盡管其裂紋擴展韌性相當高，但考慮到其低屈服應力，它也會導致過早斷裂和裂紋萌生韌性不足。相比之下，TRIP 效應較弱的 RT Q&P 鋼具有更好的屈服應力和裂紋萌生韌性的協(xié)同作用。 IA 和 RT Q&P 鋼的比較表明，強烈的 TRIP 效應有利于抗拉強度和均勻伸長率，但不利于裂紋引發(fā)斷裂韌性。