《Materials Science and Engineering: A》：Achieving exceptional strain hardening in lightweight steel via deformation twins induced by lamellar heterogeneous structure
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通过高Al添加在Fe-27Mn-10Al-1C钢中构建层状异构结构，实现抗压强度提升至5170 MPa。异构相协同变形机制中，铁素体通过位错重组和宏观变形耗散应变，奥氏体则通过多级微观结构演变主导变形，界面应变梯度加速几何必需位错积累并引发局部应变集中，促进微带和交滑移形成，同时层状结构有效缓解应力集中，提升应变硬化能力。层状异构结构通过多阶段变形过程最大化各相变形能力，为双相轻质钢设计提供新策略。
刘海涛|李大钊|白少斌|陈永刚|严志杰|刘鑫|朱合家|关博宇
太原理工大学材料科学与工程学院，中国太原，030024
摘要
引入异质结构是提高合金机械性能的有效策略。在本研究中，通过增加铝的含量，开发出了一种具有奥氏体和铁素体交替分布的层状异质结构Fe-27Mn-10Al-1C（重量百分比）轻质钢。该钢的极限抗压强度达到了约5170 MPa。这种优异的性能归因于异质相内的应变分配和协同变形：铁素体通过位错重排和宏观变形一致地吸收应变，而奥氏体则通过多种微观结构的交替演变主导变形。具体而言，界面应变梯度加速了几何必要位错（GNDs）的积累，并诱导了局部应变集中，从而促进了微带的形成和交叉滑移的激活。层状异质结构克服了高堆垛错能（SFE）的限制，促进了变形孪晶的形成，并增强了应变硬化能力。此外，本研究进一步表明，变形孪晶对硬化的贡献比滑移带或高密度位错结构（如微带和位错缠结）更为显著。这些发现揭示了层状异质结构在调节机械性能中的作用，为双相轻质钢的微观结构设计提供了新的见解。
引言
为了应对减排和效率提升的需求，轻质钢作为一种具有低密度和优异机械性能的材料，在汽车等领域展现出巨大的应用潜力[1]、[2]、[3]、[4]。合金成分的不同决定了轻质钢中相的多样性，使其被分为奥氏体钢、铁素体钢和奥氏体-铁素体双相钢，并引起了广泛关注[5]、[6]。先前的研究表明，微带或位错缠结等多种微观结构共同促进了变形过程中的应变硬化[7]、[8]、[9]。然而，由于高堆垛错能（SFE）的影响，奥氏体主要通过位错运动来协调变形，限制了机械性能的进一步提升。探索实现多种微观结构协同效应的新策略仍然是当前的研究重点。
本质上，高Mn（20-32重量百分比）和高Al（8-12重量百分比）含量的奥氏体轻质钢的堆垛错能为在70到120 mJ/m2之间，导致变形主要由位错滑移主导[8]、[10]、[11]。尽管滑移带或微带对应变硬化能力有显著贡献，但缺乏变形孪晶导致应变硬化率一直较低。受到孪晶诱导塑性（TWIP）钢的启发，采用部分用Si替代Al的方法来降低SFE并促进孪晶的形核[12]、[13]、[14]。在塑性变形过程中，强烈的“Hall-Petch”效应增强了轻质钢的应变硬化率。然而，高量的Si有利于α-铁素体的形成，这可能对延展性和应变硬化能力产生不利影响[14]、[15]。此外，Si在降低密度方面的效果不如Al（每增加1重量百分比的Si，密度降低约0.8%，而Al为约1.3%[8]），同时成本和加工复杂性也会增加。这些问题共同限制了Si改性轻质钢的实际应用。最近的研究表明，引入异质结构是改善材料机械性能的重要方法。
异质结构包含具有不同机械性能的异质微观结构或相，通常分为双峰[17]、[18]、层状和层次结构[19]、[20]、[21]。在塑性变形过程中，动态应变分配有助于在软区堆积几何必要位错（GNDs），通过异质变形诱导（HDI）强化效应提供额外的硬化效果。例如，在Fe-Mn-Al-C轻质钢中添加Ni可以促进层状和颗粒状B2相的形成，从而通过应变分配和GNDs的梯度耦合增强应变硬化[22]、[23]。尽管异质结构在一定程度上增强了强度，但高应变水平可能导致由于GNDs在颗粒状B2中的堆积而产生严重的应力集中，从而引发裂纹的早期形成和扩展。引入具有交替软硬梯度的层状异质结构提供了一种有前景的策略[24]、[25]、[26]。一方面，有序的层状特征建立了连续的机械响应梯度，允许空间应变调节并有效缓解局部应力集中；另一方面，层状异质结构促进了多阶段和渐进的变形过程，最大化了每种成分的变形能力，并为多种微观结构的形成提供了有利的动力学条件。然而，奥氏体轻质钢中层状异质结构的协调变形行为尚未得到充分探索。仍需要更深入地理解层状异质结构中多种微观结构的协同效应对轻质钢机械性能的贡献。
在本研究中，引入了一种层状异质结构设计策略，以制备具有奥氏体-铁素体交替分布特性的双相轻质钢。在室温下的准静态压缩变形过程中，分析了层状异质结构的协调变形行为。结果进一步表明，高密度的GNDs与变形孪晶协同促进了应变硬化。这一发现不仅为具有优异机械性能的双相轻质钢提供了设计策略，也为层状异质结构材料的理论体系做出了贡献。
章节摘录
材料制备
为了制备高Al含量的Fe-27Mn-10Al-1C（重量百分比）双相轻质钢，使用真空感应炉多次熔炼。铸锭在1200 °C下保温120分钟后进行均质化处理，然后在1150 °C下热轧至最终厚度20 mm。随后，板材在1000 °C下进行3分钟固溶处理，再迅速水淬至室温（S1000）。关于测量的化学成分的详细信息...
层状异质结构
图2显示了HR和S1000样品的微观结构特征。光学显微镜（OM）结果表明，主要组成相为奥氏体和铁素体。显然，通过凝固形成的并对齐的铁素体带在1000 °C固溶处理后保持了形态稳定性，这归因于高Al含量（10.1重量百分比）。定量分析显示，奥氏体占主导地位，体积分数为82.9 ± 1.8%，平均晶粒尺寸为13.4 ± 2.1 μm...
应变诱导的奥氏体中变形孪晶的形成机制
众所周知，堆垛错能（SFE）是主导变形行为的关键参数[33]、[34]、[35]。在奥氏体轻质钢中，适度的SFE促进了完美位错解离为Shockley部分位错，并促进了孪晶的形核。相反，较高的SFE抑制了完美位错的解离和SFs的积累，从而导致变形主要由位错滑移而非孪晶控制[8]、[11]。因此，SFE在...
结论
在本研究中，通过引入层状异质结构，有效改善了压缩性能和应变硬化率。同时，分析了微观结构的演变及其对应变硬化的贡献。主要结论如下：
1.构建了一种由交替的奥氏体和带状铁素体组成的层状异质结构，抗压强度提高到了约5170 MPa。
2.层状异质结构的...作者贡献声明
白少斌：撰写 – 审稿与编辑，方法论。李大钊：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，方法论。严志杰：撰写 – 审稿与编辑，方法论。陈永刚：撰写 – 审稿与编辑，形式分析。刘海涛：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，方法论，研究，数据管理。朱合家：研究，形式分析，数据管理。刘鑫：方法论，数据管理。关博宇：方法论，形式分析，数据管理
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
数据可用性
由于数据也是正在进行的项目的一部分，目前无法共享。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号：52375392、52071300）和国家重点实验室在冲击与撞击科学和技术领域（CN）（编号：6142902240502）的财政支持。
