《Advanced Powder Materials》：Lüders strain ductilizes a 1.2 GPa high-strength metastable steel via delaying martensite transformation
编辑推荐：
本研究针对高强度金属材料中强度与塑性的倒置难题，探讨了吕德斯应变对亚稳奥氏体不锈钢马氏体(α′)相变及变形机制的影响。研究人员通过结合高稳定性γ相与吕德斯应变，发现吕德斯应变能通过延迟α′相变，使1.2 GPa高强度亚稳钢实现显著塑性提升（总伸长率35%）。该研究为开发高性能亚稳钢提供了新思路，具有重要意义。
在追求更强更韧金属材料的道路上，工程师和科学家们长期面临着一个“鱼与熊掌不可兼得”的困境：强度上去了，塑性往往就下来了。这种强度-塑性的倒置关系，如同一个“戈尔迪之结”，困扰着传统金属结构材料的发展。对于屈服强度超过1吉帕的超高强度结构材料而言，延缓颈缩、提升塑性更是迫在眉睫。在众多强化机制中，相变诱导塑性效应为同时提高强度和塑性提供了一条可行路径，但如何巧妙地协同调控相变与位错活动，仍是一个巨大的挑战。
通常，在单轴拉伸试验的应力-应变曲线中，如果观察到明显的屈服下降和随之而来的吕德斯带传播，这往往被视为一种不良行为，因为它会导致零件表面出现条带状褶皱缺陷，并加速塑性失稳，降低塑性应变。然而，近年来的研究表明，具有大吕德斯应变的金属材料仍能实现高强度-高塑性的目标。但吕德斯应变在变形行为和强化机制中的作用尚未被揭示，尤其是在具有高塑性的材料中，吕德斯应变对α′相变和高塑性机制的重大影响尚未完全阐明。
发表于《Advanced Powder Materials》的一项研究，由李天乐、吴仁昊、陈乐宗、Zaigham Saeed Toor、刘小春和Hyoung Seop Kim合作完成，对这一问题进行了深入探索。该研究比较了奥氏体不锈钢中均匀应变、吕德斯应变与微观结构演化之间的关系。令人惊讶的是，研究发现，通过结合高稳定性的γ相和吕德斯应变，吕德斯应变能够通过延迟马氏体相变来增韧一种抗拉强度达1.2 GPa的高强度亚稳钢。具体而言，在最初的吕德斯应变阶段，主要的变形机制是位错滑移，而非应力辅助马氏体相变。随后，由于真应力的增加，α′相变被激活，导致进一步的塑性应变。在吕德斯应变阶段，真应力基本保持稳定，不能有效诱导α′相变。相比之下，在均匀应变阶段应力的快速增加会进一步加速α′相变，导致样品具有高强度但塑性一般。吕德斯应变期间延迟的α′相变行为为开发高性能亚稳钢提供了新的机遇。
为开展本研究，研究人员采用了多种关键技术方法。研究材料为商业奥氏体不锈钢，经冷轧后，在750°C下进行不同时间的退火处理，以获得具有不同初始微观结构的样品。力学性能通过准静态单轴拉伸试验结合数字图像关联技术进行表征，以实时观测应变局部化，特别是吕德斯带的传播过程。微观结构表征综合运用了电子背散射衍射、电子通道衬度成像、X射线衍射、透射电子显微镜和球差校正透射电子显微镜，用于分析相组成、晶体学关系、位错结构、马氏体形貌等。此外，还通过微柱压缩实验研究了单一γ相的变形机制，并利用有限元法模拟了吕德斯应变行为。相变动力学通过原位EBSD跟踪，并采用经验公式计算了奥氏体稳定性和堆垛层错能等关键参数。
微观结构
图1展示了A2和A10样品的微观结构和物相。两个样品均由γ（奥氏体）和α′（马氏体）相组成，分布和形态随机、无规则，且晶体取向无织构，满足K-S关系。A2样品主要由变形结构和具有不同衬度的“小晶粒”组成，这些“小晶粒”实为位错胞和亚结构，而非细晶或纳米晶。同时观察到层状结构为堆垛层错，而非机械孪晶。相比之下，A10样品中除了位错胞和亚结构外，局部区域出现了一些规则、等轴的晶粒，表明发生了局部γ再结晶和长大。随着退火时间延长，亚结构或位错胞的尺寸从136 nm增加到245 nm，再结晶γ晶粒的等效直径约为642 nm。
力学性能
图2显示了钢的力学性能和行为。经过750°C分别退火1分钟和2分钟的A1和A2样品表现出显著的吕德斯应变，而其他两个样品则表现为连续屈服和屈服后应力的显著增加。其中，A2样品获得了优异的力学性能。通过DIC方法观察，A2样品表现出完整的吕德斯带行为，整个吕德斯应变可分为三个吕德斯带的传播阶段。相比之下，A10样品则呈现连续均匀的应变演化。系统性研究表明，具有吕德斯应变的样品能获得优异的强度-塑性协同效应，其力学性能优于其他多种高强度钢和中熵合金。A2样品的断口表面显示出密集规则的韧窝，表明其为韧性断裂模式。
变形过程与微观结构演化
利用有限元法模拟了吕德斯应变行为，二维应变云图反映了吕德斯带的传播和三个吕德斯带的存在。值得注意的是，在每个 distinct 的吕德斯带传播阶段内，真应力近似恒定，而在阶段转换时则出现明显的应力跃升。这表明在吕德斯应变过程中，真应力难以快速增加。原位EBSD结果显示，在拉伸过程中，A10样品中的γ向α′相变比A2样品中更为显著。微柱压缩实验进一步揭示，A10样品中γ晶粒的塑性变形机制伴随快速的γ向α′相变，而A2样品中高机械稳定性的γ晶粒阻止了相变和孪晶形成，仅依靠位错滑移进行塑性变形。对变形后样品的TEM观察表明，A2样品在约13%的应变下位错密度高，α′马氏体板条形成轻微；而A10样品中则形成了大面积的交叉马氏体阵列。高分辨率TEM分析显示了α′/γ相界处的晶格畸变和原子尺度上的无序特征，这些界面阻碍了位错跨界面传输。奥氏体稳定性分析表明，A2样品中的γ相具有更高的机械稳定性。变形后样品的EBSD和GND密度分析显示，A2样品中断裂附近的位错活动更强。
讨论
研究通过示意图详细描述了A2样品的应变过程和高塑性机制。不连续屈服现象可归因于位错与间隙原子的相互作用。短时退火促进了C等间隙原子向位错和亚结构的快速偏聚，从而锁定位错，需要更高的应力来解锁这些被锚定的位错以促进塑性变形。计算表明，该钢的堆垛层错能较低，机械孪生可以忽略或很弱。根据计算，α′相变属于应力辅助马氏体相变范畴。在吕德斯应变第一阶段，由于真应力基本稳定，应力辅助α′相变较弱，主要的变形机制是位错滑移和增殖，位错强化延缓了过早颈缩。经过每个循环的吕德斯应变后，试样的标距部分可被视为“一种新材料”，其微观结构由变形后的γ/α′和新形成的α′组成，不同于退火态样品。在吕德斯带2和3的传播过程中，快速γ向α′相变导致局部硬化，流变应力再次轻微下降，应变传播至较软区域。应力辅助α′相变在吕德斯应变2阶段活跃发生，因为真应力相比第一阶段显著增加。因此，在吕德斯带2阶段，临界应变机制是α′相变，然后是位错活动。α′相变和位错在吕德斯带3阶段的应变和强化中起着重要作用。相比之下，在均匀应变样品中，持续增加的真应力促进了快速的α′相变，大量α′的有限变形能力导致了高强度但普通的塑性。
结论
本研究发现吕德斯应变能够通过延迟α′相变来增韧一种抗拉强度为1.2 GPa的高强度奥氏体不锈钢。通过结合高稳定性γ相和吕德斯应变，开发了一种新的强度-塑性策略。A2样品实现了优异的强度-塑性组合，并伴随着三个阶段的吕德斯带。屈服后的第一个吕德斯应变阶段的关键变形机制是位错作用，而非应力辅助α′相变，因为γ相呈现出高机械稳定性。位错增殖带来的位错强化延缓了吕德斯带1阶段的过早颈缩。在吕德斯带1之后，随着真应力的增加，应力辅助α′相变持续发生，导致进一步的塑性应变。相比之下，在连续均匀应变样品中，持续增加的应力促进了快速的α′相变，大量α′的难变形特性使其具有高强度但塑性一般。这些发现突出了耦合大吕德斯应变和高稳定性γ对于在亚稳相材料中实现强度-塑性协同的重要意义。
