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本文通过设计低碳微合金钢的双相超细晶铁素体/马氏体层状结构，实现了冲击韧性随温度降低而升高的逆温度依赖性，显著提升了-196℃下的抗裂性，其机理涉及外韧化（层状分离）和内韧化（界面位错滑移及多尺度亚结构滑动）协同作用。
Xiaoning Xu|Punit Kumar|David H. Cook|Qibin Ye|Binxing Wang|Yuexin Chu|Yong Tian|Yi Li|Robert O. Ritchie
中国沈阳东北大学数字钢铁国家重点实验室
摘要
体心立方（bcc）结构的钢材由于固有的韧性-脆性转变而具有低温脆性，这种转变抑制了塑性变形。提高低温韧性的策略通常涉及稳定面心立方（fcc）相以防止这种转变；然而，这需要添加高浓度的镍、钴和铬，但这些元素价格昂贵，且由于其高环境影响、能源密集型的提取过程和有限的全球储量而不可持续。在这里，我们设计了一种低碳微合金钢，使其具有双相超细晶粒的铁素体/马氏体层状微观结构。这种结构在广泛的温度范围内（383 K至77 K）表现出独特的冲击韧性随温度变化的反向依赖性，并在低温（77 K）下具有出色的抗断裂性能。这些性能是通过层离和裂纹桥接的外部增韧作用以及铁素体内的界面位错介导的塑性变形和马氏体中的多尺度亚结构滑动的内部增韧作用共同实现的。这种微观结构设计策略为在不添加昂贵和关键元素的情况下，制造出具有优异低温损伤容忍度的bcc钢提供了一条途径。
引言
具有体心立方（bcc）晶体结构的低碳微合金（LCMA）钢由于其优异的机械性能、可焊性和促进资源高效利用的能力（包括成本效益）而在现代基础设施中得到广泛应用[1]、[2]、[3]、[4]。然而，与其他bcc结构金属一样，LCMA钢通常也表现出明显的韧性-脆性转变[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]，其在环境条件下的断裂和冲击韧性（后者在室温下为数百焦耳）在所谓的韧性-脆性转变温度（DBTT）以下降至个位数[2]、[3]、[4]、[10]、[11]、[12]、[13]。这一严重限制了它们在低温环境中的使用，并在服务条件波动时带来关键的安全风险[1]、[4]。
已经采用了多种策略来降低DBTT。主要方法是添加能够稳定面心立方（fcc）晶体结构的元素，因为fcc结构通常没有DBTT。这些低温钢，包括新开发的高熵合金，含有高浓度的镍（Ni）、钴（Co）和铬（Cr）等元素，这些元素通过多种机制确保了低温下的韧性。然而，对高浓度昂贵合金元素的依赖显著增加了材料成本，并引发了关于资源可持续性的担忧。虽然从根本上讲，在不添加大量合金元素的情况下消除bcc结构钢的DBTT是具有挑战性的，但可以通过微观结构工程策略来降低这一临界温度。首先，晶粒尺寸的细化已被证明可以抑制DBTT；然而，过度的晶粒尺寸减小，特别是小于1 μm的超细晶粒，往往会损害室温下的加工硬化能力和韧性[2]、[3]、[14]、[15]。另一种方法是降低裂纹尖端的有效应力。例如，层离或分裂可以将材料转化为薄片层状结构，从而将每个单独的薄片置于平面应力状态，从而消除限制塑性变形的应力状态约束[1]、[4]。这两种策略可以通过设计超细长的铁素体晶粒来结合使用，这可以使冲击能量在423 K至210 K的温度范围内随着温度的降低而增加，表现出一种不寻常的韧性-温度依赖性[4]。尽管经过数十年的努力，克服这一转变（即避免低碳微合金钢在温度降低（特别是低温）时断裂韧性突然下降的问题）仍然是一个未解决的问题。
在这项研究中，我们提出了一种LCMA钢，其微观结构表现出相反的趋势：随着温度从383 K降低到77 K，冲击能量增加，最终在77 K时达到约434 J的优异冲击韧性。此外，该微观结构在77 K时的断裂韧性接近200 MPa√m，并且抗断裂曲线（R曲线）表现出上升趋势，表明随着裂纹扩展，抗断裂能力增强。系统的微观结构表征揭示了这种卓越的机械性能源于低温下外部和内部增韧机制的协同激活。这项研究强调了设计在广泛温度范围内（包括低温条件）具有增强抗断裂能力的微观结构的潜力，同时促进了资源的高效利用，从而推动了材料的可持续性。
部分摘录
微观结构
通过传统的热机械工艺制备了一种异质结构的LCMA钢，其组成为Fe（余量）、Mn（1.88 wt%）、Ni（0.53 wt%）、Si（0.15 wt%）和Nb + Ti + Cr（0.25 wt%）（图S1a）。该工艺形成了由超细晶粒马氏体（M）和铁素体（F）组成的双相层状微观结构，称为双相超细晶粒（DUFG）钢（图1a,b）。为了更好地说明这种双相层状微观结构，我们构建了一个示意图
讨论
为了展示我们钢材的机械性能与现有钢材的比较，我们在图4a中展示了我们合金的冲击能量曲线随温度的变化情况，并与其他文献中的低碳微合金（LCMA）钢材的性能进行了对比[10]、[11]、[12]、[13]。这种对比分析表明，具有不同微观结构的传统bcc结构LCMA钢在临界温度以下不可避免地表现出韧性-脆性转变（图4a）
结论
总之，这项研究表明，低碳微合金钢中的双相超细晶粒铁素体/马氏体层状微观结构（DUFG）有效地克服了bcc结构材料固有的低温脆性，实现了出色的低温损伤容忍度。DUFG钢的Charpy冲击韧性从383 K时的约226 J显著提高到77 K时的约434 J，其中微观结构通过层离和界面作用抑制了裂纹的扩展
材料加工
本研究制备了一种低碳微合金钢，其中含有0.05 wt%的C、1.88 wt%的Mn、0.15 wt%的Si、0.25 wt%的Nb + Ti + Cr和0.53 wt%的Ni以及余量的Fe。钢坯的初始尺寸为125 mm × 80 mm × 105 mm（长度×宽度×高度），由连续铸造的钢坯加工而成。图S1a展示了为实现双相超细晶粒（DUFG）微观结构所进行的热机械加工过程。钢坯首先在1473 K下均质化4小时
CRediT作者贡献声明
Xiaoning Xu：撰写——原始草稿、可视化、数据整理。Punit Kumar：撰写——审阅与编辑、可视化、数据整理。David H. Cook：撰写——审阅与编辑、可视化、数据整理。Qibin Ye：研究、概念化。Binxing Wang：研究、概念化。Yuexin Chu：撰写——原始草稿、研究。Yong Tian：撰写——审阅与编辑、概念化。Yi Li：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
Y. T和X. X感谢河南省重大科技专项（251100230200）和辽宁省自然科学基金（ZX20250272）的财政支持。Y. L和Y. Chu感谢中国科学院的战略优先研究计划（XDB0510000）的财政支持。P.K感谢南阳理工大学的创业基金（授权号26159-00001）的支持。作者们对Y. H博士表示感谢。
