隨著對合金機械性能的需求不斷增長，促使材料學者們?yōu)楦邚姸雀哐有越M合而探索混合或非均質(zhì)材料。多層鋼（Multilayered steel，MLS）就是一種混合材料，這種材料是由軟而延性好的奧氏體和硬而脆的馬氏體層狀交替堆疊而成，從不同組分可以中獲得高強度和高延展性的組合。因此具有作為新一代結(jié)構(gòu)材料的巨大潛力，但是這種MLS鋼的疲勞行為研究尚不充分。

新加坡南洋理工大學的一項研究制備了兩種僅僅是表層不一樣的多層鋼，并分析其疲勞行為。相關(guān)論文于以題為“Fatigue in multilayered steels”發(fā)表在Scripta Materialia。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.03.052

本研究制備的兩種MLS均含有15個交替層，均由420馬氏體不銹鋼和301奧氏體不銹鋼堆疊而成（以下簡稱為301和420）。一種MLS外層材料為301（301和420體積分數(shù)為43%和57%），另一種外層材料為420（301和420體積分數(shù)為53%和47%），以下分別簡稱為AOS和MOS。兩種MLS的制備方法均為堆疊單個1mm厚的成分片，先熱軋至1.2mm，再冷軋至1.15mm，最終每個組成層的厚度約為80μm。

圖1 多層鋼的橫截面顯微照片。（a）外層為301的AOS MLS；（b）外層為420的MOS MLS；（c）兩種MLS的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（d）兩種MLS疲勞過程中應(yīng)力范圍和循環(huán)次數(shù)；（e）AOS MLS的裂紋處顯微照片；（f）MOS MLS的裂紋處顯微照片

圖2 多層鋼的EBSD圖（紅色和綠色分別代表奧氏體和馬氏體相）

經(jīng)過拉伸試驗得知，AOS屈服強度和抗拉強度分別為1095和1487MPa，MOS為1105和1485MPa，兩種MLS的拉伸性能幾乎相同，說明外層材料不同對MLS的拉伸性能無明顯影響。經(jīng)過高周疲勞試驗得知，AOS的彈性極限（σe）為670MPa，但MOS的σe為468MPa，相較于MOS，AOS的彈性極限高出43%，說明AOS的抗疲勞性能更好。完全退火態(tài)的301奧氏體不銹鋼（ASS）的σe為510MPa，本研究的AOS MLS比一體301 ASS高31%。顯然多層體系結(jié)構(gòu)能夠顯著增強材料的抗疲勞性能。

圖3 多層鋼冷軋后模擬殘余應(yīng)力變化（a）AOS；（b）MOS

圖4 AOS MLS中奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的EBSD圖

研究人員認為多層材料的布局是造成疲勞性能不同的主要原因，對比分析斷裂部分得知，裂紋是從420層產(chǎn)生，而MOS的外層為420，說明301對疲勞裂紋的萌生抗力高于420。AOS抗疲勞性能較好的是因為冷軋過程中殘留一定的壓應(yīng)力，應(yīng)力將引起奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，這種現(xiàn)象會發(fā)生在循環(huán)載荷期間并減弱壓應(yīng)力，所以AOS MLS的抗疲勞性能更好。

本研究分析了MLS的疲勞行為，突顯了特定結(jié)構(gòu)對多層材料承受循環(huán)載荷時的顯著影響。證明了混合材料在性能方面的優(yōu)勢，同時提醒后續(xù)研究多層材料時，既要考慮材料的準靜態(tài)機械性能，又要考慮疲勞性能。