中国科学院力学所袁福平研究员团队：高强高韧的异构、微带诱导塑性协同强化钢 | MDPI Materials

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通讯作者介绍

袁福平 研究员 | 中国科学院力学研究所

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袁福平，中国科学院力学研究所研究员、中国科学院大学工程科学学院多尺度力学教研室主任。近年来的研究方向为异构金属的强韧化和动态变形机理。在多个学术期刊发表SCI论文90余篇，SCI他引3000余次，授权发明专利5项。曾获优秀青年基金、中科院卢嘉锡青年人才奖、中科院青促会优秀会员、中科院优秀导师奖、爆炸力学优秀青年学者。现任《固体力学学报》、Materials编委、JKW某重大工程项目负责人、JKW基础加强项目课题负责人、国家自然科学基金委重大项目课题负责人。

覃双 特别研究助理 | 中国科学院力学研究所

覃双，中国科学院力学研究所特别研究助理。2014年，获北京理工大学学士学位；2020年，获中国科学技术大学博士学位。主要从事高性能金属合金材料强韧化机理及其在极端条件 (强动载) 下的使役行为研究。在多个学术期刊发表论文17篇，授权发明专利2项，主持第70批博士后面上资助 (二等) 项目。

第一作者介绍

张胜德 博士研究生 | 中国科学院力学研究所

张胜德，中国科学院力学研究所博士研究生。主要研究方向为异构金属的强韧化和断裂行为。目前以第一作者在学术期刊发表论文2篇。

文章导读

具有优异强度和韧性的钢一直是钢铁行业的永恒追求。在过去的十年中，一种新型高锰钢 (微带诱导塑性钢，简称微带钢) 被开发出来，它具有一种新颖的应变硬化机制：微带诱导塑性机制。该机制具备优异的强度、韧性匹配。同时，异质结构 (异构) 作为一种新型的结构，得益于其额外的异质变形诱导硬化，也可以实现优异的强度、韧性匹配，有可能在具有异质结构的微带钢中实现更好的强度和韧性。而微带诱导塑性机制在异构中是否有效以及微带诱导塑性机制、异质变形诱导硬化是否可以协同强化材料尚未可知。来自中国科学院力学研究所的袁福平研究员及其团队在Materials期刊发表的文章，介绍了异构微带钢的拉伸变形行为和应变硬化机理等方面的最新进展，对异构微带钢的发展具有重要意义。

研究过程与结果

该研究通过剧烈塑性变形、再结晶温度退火，成功在微带钢中设计并获得了异构，命名为HS，该异构具有粗晶 (Coarse Grain, CG) 和超细晶 (Ultrafine Grain,UFG) 两种不同尺寸的晶粒，且具有双相。同时作为对比，设计了屈服强度相近的均质结构，该结构在粗晶化后仅经过冷轧工艺，命名为CR。随后作者进行了一系列单轴拉伸试验和加载-卸载-再加载试验 (材料加工流程如图1所示)，以及拉伸试验前后的详细微结构表征，以研究异构微带钢的变形行为，证明了微带诱导塑性机制的晶粒尺寸依赖性，以及异质变形诱导硬化的作用。

图1. 材料加工流程。

研究发现，异构样品显示出更优异的强度、韧性匹配，如图2所示。在异构样品中，异质变形诱导硬化对整体应变硬化的贡献更高，归因于异质晶粒边界在变形过程中出现更高密度的几何必需位错，产生了更高的、额外的异质变形诱导的应变硬化，从而表现出更好的拉伸性能。同时作者观察到，微带诱导性机制在异构的奥氏体粗晶中仍然有效，而在异构的奥氏体超细晶中没有观察到典型的微带的形成，表明减小晶粒尺寸会抑制微带诱导塑性机制的发生。在BCC晶粒内部也观察到高密度的位错，表明两相都是可变形的，可承担部分塑性变形。有趣的是，微带诱导塑性变形机制高度依赖于相和晶粒尺寸，对异构微带钢的后续研究发展具有启发意义。

图2. 异构样品的初始微结构、拉伸行为和变形机理。

研究总结

作者研究了异构微带钢的拉伸性能，揭示了相应的变形机制，结论如下：

异构优异的强度、韧性匹配

异构样品晶粒尺寸具有异质性。与同等屈服强度的均质结构相比，异质结构具有更优异的均匀延伸率。异构表现出更好的强度、韧性匹配。

异质变形诱导硬化

异构样品的异质变形诱导硬化对整体应变硬化的贡献更高。异质变形诱导硬化在异构中比在均质结构中起更重要的作用。在异质边界处产生的高密度几何必需位错和额外的异质变形诱导硬化是在异构中观察到更好的拉伸性能的起源。

微带诱导塑性机制的晶粒尺寸依赖性

在异构样品的奥氏体粗晶中仍然可以观察到典型微带的形成，而在奥氏体超细晶中不再有效。因此，研究发现微带诱导塑性机制与晶粒尺寸有关，随着晶粒尺寸的减小，微带的出现会受到抑制。

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原文出自Materials期刊

Zhang, S.; Liu, Y.; Wang, J.; Qin, S.; Wu, X.; Yuan, F. Tensile Behaviors and Strain Hardening Mechanisms in a High-Mn Steel with Heterogeneous Microstructure. Materials 2022, 15, 3542. https://doi.org/10.3390/ma15103542

   Materials 期刊介绍

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

期刊发表涵盖材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等研究领域在内的学术文章。

2021 Impact Factor	3.748 (Q1*)
2021 CiteScore	4.7
Time to First Decision	15.3 Days
Time to Publication	38 Days

* Q1 (17/80) at category "Metallurgy and Metallurgical Engineering"

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