制造用于汽車(chē)應(yīng)用的輕量化結(jié)構(gòu)一直是人們的追求，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效方法是采用先進(jìn)高強(qiáng)度鋼（AHSS）。除了高強(qiáng)度外，斷裂韌性對(duì)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(duì)于大多數(shù)結(jié)構(gòu)材料（如鋼）來(lái)說(shuō)是相互排斥的，這種與生俱來(lái)的沖突是眾所周知的強(qiáng)度-韌性權(quán)衡。這種矛盾可以通過(guò)考慮鋼的強(qiáng)化旨在阻止或抑制各種缺陷的位錯(cuò)滑行來(lái)理解，這將不可避免地誘發(fā)應(yīng)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(yīng)用。另一方面，對(duì)鋼斷裂韌性的主要貢獻(xiàn)來(lái)自裂紋尖端附近的位錯(cuò)活動(dòng)。這種機(jī)制導(dǎo)致了一個(gè)普遍但不幸的結(jié)論：具有較高強(qiáng)度的鋼將具有更有限的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，因此斷裂韌性較低。

來(lái)自香港大學(xué)黃明欣團(tuán)隊(duì)研究了通過(guò)兩種熱機(jī)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(xì)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(yīng)變局部化。相反，應(yīng)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(jìn)加工硬化率，即轉(zhuǎn)化誘導(dǎo)可塑性(TRIP) 效應(yīng)。然而，這種密集的 TRIP 會(huì)導(dǎo)致邊界處的過(guò)早脫粘和沒(méi)有后伸長(zhǎng)的突然斷裂。還測(cè)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(kāi)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(jí)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(shuō)明了 TRIP 對(duì)延展性和斷裂韌性的雙重作用，即強(qiáng)化 TRIP 對(duì)拉伸強(qiáng)度和均勻伸長(zhǎng)率有用，但對(duì)斷裂韌性有害，這與 TRIP 對(duì)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(biāo)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(lán)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(lán)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(yīng)力 - 應(yīng)變曲線，DIC結(jié)果在插圖中應(yīng)變。（b）真實(shí)應(yīng)力 - 應(yīng)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(lán)色；(b) 測(cè)試前平面法線的 IPF 圖；(c)至 (e) 局部全局應(yīng)變?yōu)?3%、7% 和 10% 時(shí)的單軸應(yīng)變分布；(f)局部應(yīng)變隨全局應(yīng)變的演化；(g) 沿 (e)、(h) 斷裂面中白色實(shí)線的應(yīng)變局部化。

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

圖 6.IA和RT Q&P鋼的裂紋增長(zhǎng)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(jī)理的統(tǒng)計(jì)結(jié)果和說(shuō)明.（a）和（b）是RT Q&P鋼，虛線代表裂紋路徑，紅線是沿邊界開(kāi)裂，藍(lán)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(lán)色，虛線表示裂紋路徑，綠線表示馬氏體開(kāi)裂，黃線表示邊界脫裂，灰線表示鐵氧體開(kāi)裂。

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

拉伸試驗(yàn)期間的高分辨率顯微 DIC 結(jié)果表明兩種鋼都發(fā)生了應(yīng)變局部化。對(duì)于 RT Q&P 鋼，較高的應(yīng)變位于 PAGB、包和塊邊界。在IA鋼中，應(yīng)變主要集中在奧氏體區(qū)，這種優(yōu)先的應(yīng)變分配導(dǎo)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(yīng)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(kuò)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(yīng)變梯度，馬氏體開(kāi)裂和晶間分離主導(dǎo)了 IA 鋼的斷裂過(guò)程。

對(duì)于IA鋼，更多的TRIP效應(yīng)顯著提高了加工硬化率和拉伸塑性。然而，盡管其裂紋擴(kuò)展韌性相當(dāng)高，但考慮到其低屈服應(yīng)力，它也會(huì)導(dǎo)致過(guò)早斷裂和裂紋萌生韌性不足。相比之下，TRIP 效應(yīng)較弱的 RT Q&P 鋼具有更好的屈服應(yīng)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(qiáng)烈的 TRIP 效應(yīng)有利于抗拉強(qiáng)度和均勻伸長(zhǎng)率，但不利于裂紋引發(fā)斷裂韌性。