新興的異質結構材料展現出比傳統材料更為優異的強度-延展性組合，這主要源于變形過程中異質區域間的應變/應力分配，尤其是異質界面附近產生的幾何必需位錯（GND）。GND不僅保障了異質區域間的應變連續性，還貢獻了額外的硬化效果，即異質變形誘導（HDI）硬化。盡管異質結構材料優勢明顯，但仍存在問題。在異質結構材料變形過程中，軟區的高應變會在異質界面處誘導大量GND，從而產生背應力硬化。然而，嚴重局域化的應變也容易致使軟區過早出現微損傷形核。因此，如何在獲得顯著背應力硬化的同時，避免局部損傷過早出現，成為進一步提升異質結構材料強度和延展性的關鍵所在。

近日，中國科學院金屬研究所李殿中院士、王培研究員，聯合香港城市大學朱運田教授以及中國科學院高能物理研究所宋溫麗副研究員，以奧氏體-鐵素體雙相鋼為模型材料展開研究，揭示了室溫單軸拉伸過程中異質區之間獨特的強度反轉現象。表現出該現象的樣品實現了強度與延展性的同步提升。通過多尺度原位力學實驗與晶體塑性模擬相結合的方法發現，材料力學性能的改善得益于異質區域間強烈的應變/應力分配，以及由強度反轉觸發的一種可持續的、動態增強的HDI硬化機制。強度反轉使異質區域能夠交替承擔應變，有效避免了初始軟區因過高的局部應變而過早損傷。此外，一旦初始軟區的強度超過初始硬區，初始硬區便開始提供背應力。這種異質區域間交替的背應力，確保了HDI硬化能夠持續增強而非快速耗盡，進而提高了樣品的整體強度。研究還發現，強度反轉是否發生以及何時發生，受到初始軟區含量、初始軟區硬化能力以及異質界面密度的共同影響。相關研究提出了一種新的動態HDI硬化機制，為通過調控各組成相/區的力學屬性實現高性能工程材料組織定制提供了新思路。

相關研究成果以“Dynamic hetero-deformation induced hardening through strength reversal between hetero-zones in austenite-ferrite duplex steel”為題，在線發表于《Acta Materialia》期刊。金屬所的劉騰遠博士和張瀟博士為該論文的共同第一作者，王培研究員和李殿中院士為共同通訊作者。該研究工作獲得了國家自然科學基金（52201150，52031013和51931003）的資助。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645425004082

圖文摘要

圖1. 不同樣品的微觀結構和力學性能

圖2. 不同工程應變下以及不同變形區域中奧氏體和鐵素體的顯微硬度變化

圖3. 原位中子衍射拉伸實驗過程中不同樣品奧氏體和鐵素體的晶格應變演變

圖4. 不同樣品的異質變形誘導（HDI）應力分析

圖5. 異質區域之間的強度反轉導致的動態異質變形誘導（HDI）硬化示意圖

本研究的主要結論如下：

(1) 在室溫拉伸試驗中，初始較軟的奧氏體因其強烈的加工硬化能力和背應力硬化效應而迅速硬化，減小了與初始較硬的鐵素體之間的強度差距，并進一步實現了強度反轉。因此，最初由奧氏體承受的應變逐漸轉移到鐵素體，而最初由鐵素體承載的應力則逐漸轉移到奧氏體。

(2) 樣品1中較高的奧氏體含量延長了硬化路徑，使奧氏體能夠經歷充分的應變硬化，并在頸縮前表現出顯著的強度反轉。強度反轉后，相間強度梯度引發了超出混合法則預測的額外硬化。相比之下，由于樣品2和樣品3中奧氏體含量較低，在頸縮前無法實現明顯的強度反轉。因此，它們在均勻變形階段缺乏顯著的額外硬化，這限制了樣品總強度的進一步提高。

(3) 樣品1中由強度反轉引起的額外硬化源自一種可持續的、動態增強的HDI硬化效應。強度反轉后，較硬的奧氏體和較軟的鐵素體之間的強度差距隨著變形逐漸增大。奧氏體承載正向應力，而鐵素體提供背應力硬化，這與反轉前的情況相反。值得注意的是，隨著強度差距的增大，這種HDI硬化變得更加顯著，確保了總應變硬化能力的可持續性，這也是樣品1強度提高的關鍵。

(4) 發生強度反轉的臨界工程應變受奧氏體含量和高位錯胞結構（HBAR）的控制。一方面，較高的奧氏體含量增加了奧氏體內部的微觀應變，導致更強的應變硬化。另一方面，較高的HBAR含量在強度反轉前在奧氏體（初始軟相）中引發了顯著的HDI硬化。這兩個因素共同加速了強度反轉的發生。

(5) 在400°C的單軸拉伸試驗中，樣品1中奧氏體和鐵素體之間的強度反轉消失。這是因為400°C時的層錯能顯著增加，降低了奧氏體的應變硬化能力，使其在整個變形過程中始終保持為軟相。因此，樣品的屈服強度和抗拉強度隨著奧氏體含量的增加而降低。