東北大學(xué)易紅亮團(tuán)隊(duì)《JMST》長(zhǎng)篇綜述！應(yīng)變速率對(duì)高錳鋼的影響規(guī)律

近日，東北大學(xué)數(shù)字鋼鐵全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室易紅亮教授團(tuán)隊(duì)、育材堂（蘇州）材料科技有限公司與德國(guó)多特蒙德工業(yè)大學(xué)合作，于《Journal of Materials Science & Technology》（Volume 237, 2025）發(fā)表長(zhǎng)篇綜述文章。該文系統(tǒng)梳理了應(yīng)變速率對(duì)高錳鋼的影響規(guī)律，為動(dòng)態(tài)載荷下的合金設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化提供重要參考。文章從“力學(xué)性能 - 微觀結(jié)構(gòu) - 變形機(jī)制”三個(gè)維度，全面解析應(yīng)變速率的作用機(jī)制，對(duì)指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)、服役應(yīng)用（如汽車結(jié)構(gòu)件、防彈材料）及學(xué)術(shù)探索具有重要意義。

主要亮點(diǎn)包括：

（1）全面分析高錳鋼力學(xué)性能的應(yīng)變率依賴性，涵蓋強(qiáng)度、應(yīng)變硬化能力及延性等關(guān)鍵指標(biāo)；

（2）闡明應(yīng)變速率效應(yīng)的潛在機(jī)制，包括熱激活、晶格摩擦、絕熱溫升、聲子阻力與動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效；

（3）強(qiáng)調(diào)高錳鋼中應(yīng)變速率相關(guān)行為的復(fù)雜性與爭(zhēng)議性，這一現(xiàn)象源于軟化機(jī)制與硬化機(jī)制的競(jìng)爭(zhēng)作用；

（4）展望未來研究方向與優(yōu)化策略，為設(shè)計(jì)可適應(yīng)各類應(yīng)變率條件的高錳鋼提供參考。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.03.026

在汽車碰撞防護(hù)、國(guó)防裝備抗沖擊等依賴動(dòng)態(tài)載荷的關(guān)鍵場(chǎng)景中，高錳鋼（HMS）憑借“強(qiáng)而不脆”的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，占據(jù)材料選擇的核心地位。尤其是TWIP鋼、Fe-Mn-Al-C輕質(zhì)鋼等品類，更因出色的應(yīng)變硬化能力，成為工業(yè)界與學(xué)術(shù)界的研究焦點(diǎn)。但長(zhǎng)期以來，高錳鋼在高應(yīng)變速率下的性能表現(xiàn)始終存在研究缺口，汽車碰撞時(shí)應(yīng)變率可達(dá)102-103 s?1，國(guó)防裝備甚至需承受105 s?1以上的極端沖擊。而這一過程中，絕熱效應(yīng)、動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效（DSA）、相變等復(fù)雜現(xiàn)象會(huì)徹底改變材料的力學(xué)行為與微觀結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)準(zhǔn)靜態(tài)研究結(jié)論難以直接套用；此前相關(guān)研究也多聚焦單一應(yīng)變速率或某一性能指標(biāo)，缺乏系統(tǒng)性的整合分析。

圖1 應(yīng)變速率范圍及分類

應(yīng)變速率對(duì)高錳鋼強(qiáng)度、延性的影響，本質(zhì)是應(yīng)變速率硬化、絕熱軟化以及DSA激活三者的競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果。在屈服強(qiáng)度方面，高錳鋼普遍呈現(xiàn)正應(yīng)變速率敏感性（PSRS），高應(yīng)變速率會(huì)縮短熱激活時(shí)間，使位錯(cuò)更難跨越障礙，而進(jìn)入動(dòng)態(tài)區(qū)間（＞103s?1）后，粘性聲子阻力成為主導(dǎo)因素，進(jìn)一步推高屈服強(qiáng)度。應(yīng)變硬化與延展性的表現(xiàn)則更為復(fù)雜，無碳高錳鋼（如FeMnSiAl）因高應(yīng)變速率抑制動(dòng)態(tài)回復(fù)，位錯(cuò)與孿生增殖，呈現(xiàn)PSRS特征，強(qiáng)度與延展性同步提升；而含碳高錳鋼（如FeMnC）在高應(yīng)變速率下，DSA會(huì)因位錯(cuò)等待時(shí)間短于溶質(zhì)擴(kuò)散時(shí)間而被抑制，同時(shí)絕熱加熱使層錯(cuò)能（SFE）升高、孿生受抑，出現(xiàn)負(fù)應(yīng)變速率敏感性（NSRS），抗拉強(qiáng)度和延性均下降。斷裂行為的變化也與應(yīng)變速率密切相關(guān)，低應(yīng)變速率下，DSA會(huì)加劇應(yīng)力集中，導(dǎo)致材料易沿晶脆斷；高應(yīng)變速率則緩解應(yīng)力集中，轉(zhuǎn)為韌窩型韌性斷裂；但當(dāng)應(yīng)變率超過3000 s?1時(shí)，易形成絕熱剪切帶（ASB），引發(fā)準(zhǔn)解理脆斷，這一結(jié)論為不同場(chǎng)景下的材料選型提供了關(guān)鍵依據(jù)。

圖2 應(yīng)變速率對(duì)合金力學(xué)性能的影響

圖3 應(yīng)變速率對(duì)合金斷裂行為的影響

在微觀結(jié)構(gòu)層面，應(yīng)變速率直接決定了高錳鋼的微觀形態(tài)，核心體現(xiàn)在形變孿生的雙向調(diào)控與位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變上。孿生方面，準(zhǔn)靜態(tài)區(qū)間（10?4-10?1 s?1）內(nèi)，中低SFE合金隨應(yīng)變速率升高，熱激活受抑，促進(jìn)孿生啟動(dòng)；而進(jìn)入動(dòng)態(tài)區(qū)間（＞102 s?1）后，絕熱加熱使SFE驟升，孿生被顯著抑制，孿晶體積分?jǐn)?shù)下降；晶體學(xué)形態(tài)方面，低應(yīng)變速率下形成的孿晶更細(xì)小，高應(yīng)變速率下孿晶更粗、間距更大。位錯(cuò)與亞結(jié)構(gòu)的變化同樣明顯，高應(yīng)變速率下，位錯(cuò)密度顯著提升，且分布更均勻，亞結(jié)構(gòu)也從準(zhǔn)靜態(tài)條件下的“位錯(cuò)胞”，轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)條件下的“平面滑移結(jié)構(gòu)”，呈現(xiàn)出類似低SFE合金的特征。值得注意的是，動(dòng)態(tài)應(yīng)變下形成的ASB是材料失效的危險(xiǎn)信號(hào)，其核心區(qū)域因局部高溫（接近熔點(diǎn)）可能形成非晶相，周邊則為納米晶，易成為裂紋萌生源，如何通過增強(qiáng)應(yīng)變硬化（如促進(jìn)孿生）延緩ASB形成，也成為綜述重點(diǎn)探討的方向之一。

圖4 應(yīng)變速率對(duì)位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)的影響

DSA作為含碳高錳鋼的核心變形機(jī)制，其活性與否直接由應(yīng)變速率決定。在低應(yīng)變速率（＜10?3 s?1）下，溶質(zhì)原子（主要是C、N）有充足時(shí)間擴(kuò)散，形成柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)，既能釘扎位錯(cuò)，又能促進(jìn)孿生，反映在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上就是明顯的鋸齒狀波動(dòng)（即Portevin-Le Chatelier效應(yīng)），硬化效果顯著；而當(dāng)應(yīng)變速率超過10?1 s?1后，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度過快，溶質(zhì)原子無法及時(shí)跟進(jìn)，柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)無法重建，DSA失效，鋸齒波動(dòng)消失，材料的硬化能力也隨之驟降，這一機(jī)制的厘清，為通過成分調(diào)控優(yōu)化高錳鋼動(dòng)態(tài)性能提供了明確思路。

圖5 應(yīng)變速率對(duì)PLC應(yīng)變行為的影響

圖6 柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)在刃型位錯(cuò)應(yīng)變場(chǎng)中的重建行為

東北大學(xué)易紅亮教授和多特蒙德工業(yè)大學(xué)侯勇研究員為論文通訊作者，第一作者為東北大學(xué)劉棟博士。該目前該文章已開放獲取（Open Access），DOI為https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.03.026，可直接下載。建議相關(guān)領(lǐng)域同行參考，共同推動(dòng)高錳鋼在動(dòng)態(tài)載荷場(chǎng)景中的應(yīng)用突破。

本文來自“材料科學(xué)與工程”公眾號(hào)，感謝作者團(tuán)隊(duì)支持。