打破傳統認知！裂紋前端吸收位錯實現合金超高強度-塑性-韌性新突破！

低成本高性能的結構材料一直是現代工程應用的追求。然而，由于高Peierls-Nabarro應力和有限位錯運動引起的局域應力集中，提高材料強度通常以犧牲塑性和韌性為代價，導致強度-延性/強度-韌性之間的倒置關系。目前克服強度-延性/強度-韌性倒置的主流方法側重于調整基體合金元素或調控位錯、晶界和/或相界等缺陷。但是過多的合金元素尤其是Ni、Co、Cr等使材料的成本增加，而調控材料缺陷所使用的多步鍛造或軋制等會導致工藝復雜。

對此，中國科學院上海光學精密機械研究所楊上陸研究員團隊聯合香港城市大學呂堅院士團隊、加州大學伯克利分校Robert O. Ritchie院士團隊和上海交通大學陳乃錄研究員團隊，基于前期發現的位錯越過馬氏體/奧氏體界面（DAMAI）現象，設計了一種廉價的高碳淬火-分配-回火（Q-P-T）鋼，在保持50 GPa·%強塑積的同時，斷裂韌性達到了130 MPa·m1/2，并且通過原位透射電鏡發現了打破傳統認知的裂紋前端吸收位錯（DACF）效應。相關工作以“Toughness enhancement by massive dislocation absorption at the crack front”為題發表在PNAS。通訊作者為楊上陸研究員、呂堅院士、Robert O. Ritchie院士和陳乃錄研究員，第一作者為張家志博士、于秦博士和田佳壯博士。

論文鏈接：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2511830122

過去的研究通常報導位錯在裂紋尖端發射，并向遠離裂紋尖端的方向運動，然后留下無位錯區域（DFZ），裂紋擴展取決于無位錯區的斷裂及裂紋尖端發射位錯行為。此外，在裂紋尖端到達晶界（GB）之前，位錯通常在晶界處堆積，然后在晶界的另一邊產生并發射新的位錯。本研究通過簡單的淬火-分配-回火工藝設計了成分素化且具有異質結構的高碳低合金Q-P-T鋼，主要組織是貧碳的回火馬氏體（α）及穩定的富碳殘留奧氏體（γ）。在形變過程中，穩定的富碳殘留奧氏體引發DAMAI效應，位錯不斷越過馬氏體/奧氏體界面從α到γ中，導致α“軟化”并提高其形變能力，同時運動到γ中的位錯導致γ“硬化”，從而顯著提高了塑性。此外，在斷裂過程中，裂紋前端塑性區發生DAMAI效應，裂紋前端相變區發生異常的裂紋前端吸收位錯（DACF）效應，裂紋擴展過程中，馬氏體中的位錯不斷被裂紋前端高韌性奧氏體吸收，顯著緩解了馬氏體中的應力集中，推遲了裂紋在馬氏體中的擴展，從而提升了斷裂韌性。

根據前期的研究，顯著的DAMAI效應至少需要10 vol.%的奧氏體才能產生，而過多的相變誘發塑性（TRIP）效應對韌性有害。因此，本研究基于DAMAI效應和新發現的DACF效應提出了增韌新策略，即保持奧氏體分數大于10%以產生DAMAI和DACF效應并盡可能降低應變誘發馬氏體相變（SIMT）。該策略將有助于開發高強韌的馬氏體鋼以及其他具有SIMT現象的高性能合金。

圖1. Q-P-T鋼的微觀結構。

圖2. Q-P-T鋼的力學性能和斷口表面微觀結構。

圖3. Q-P-T鋼裂紋前端塑性區原位TEM。

圖4. Q-P-T鋼裂紋前端相變區原位TEM及增韌機理示意圖。

圖5. Q-P-T鋼力學性能和其他合金比較。

視頻.Q-P-T鋼裂紋前端相變區裂紋尖端靠近馬氏體/奧氏體界面時DACF效應原位TEM。

視頻.Q&T鋼裂紋前端相變區原位TEM。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝作者團隊支持