港大最新Science：晶界分层增强高强钢的韧性

【引言】

为满足经济可持续发展的要求，工程应用中不断追求轻质、经济、性能优良的结构材料。然而，获得高强度通常是以破坏韧性为代价的，这对于安全性至关重要的应用而言始终是主要关注点。结构金属和合金的强化机制是建立在通过引入不同长度尺度的各种障碍物来抑制或阻止位错滑移的基本原理上的。但是，大量的位错纠缠在微小的缺陷中，会产生局部的应力集中，从而导致裂纹萌生，最终导致严重的失效。克服强度-韧性权衡的主流努力集中在定制微观结构或通过固溶合金化设计材料上。由于变形诱导的纳米孪晶机制，多元素高、中熵合金在低温下具有特殊的损伤容限。马氏体时效钢是另一个例子，它被认为是航空航天应用中最强的金属合金，具有可接受的损伤容限。然而，马氏体时效钢含有大量昂贵的合金元素，如镍（17-19 wt %）、钴（8-12 wt %）和钼（3-5 wt %）。尽管马氏体时效钢的合金化策略是获得优异机械性能的理想工具，但由于成本和环境方面的考虑，无法进行经济的批量生产和回收。降低平均晶粒尺寸是提高强韧性组合的另一种非合金化途径。然而，这种方法可能是有限的，因为强化通常是以失去延展性为代价实现的。

【成果简介】

今日，在香港大学黄明欣教授和美国劳伦斯伯克利国家实验室Robert O. Ritchie教授（共同通讯作者）团队等人带领下，超强钢可以实现特殊的损伤容限，并采用简单的成分和具有成本效益的加工路线进行制造。研究表明，提高屈服强度并不会对韧性产生不利影响，相反，它可以促进分层增韧机制的激活，从而大大提高了韧性。具体来说，超高屈服强度使得能够在垂直于主断裂表面的界面处形成第二断裂模式，即分层裂纹。由于分层的发生，在断裂面附近发展出多条分离的层状韧带，为断裂提供了额外的能量释放速率，同时也增强了裂纹尖钝化，共同提高了整体的断裂韧性。这种分层增韧与变形诱导塑性（TRIP）增韧相结合的增韧过程很少在结构材料中同时实现。这种组合使钢材具有了强度、延展性和韧性的奇妙组合。相关成果以题为“Making ultrastrong steel tough by grain-boundary delamination”发表在了Science。

【图文导读】

图1钢的微观组织

图2 钢的拉伸和断裂性能

图3 钢中的增韧机理

图4 断裂韧性与屈服强度的Ashby图

文献链接：Making ultrastrong steel tough by grain-boundary delamination（Science，2020，DOI:10.1126/science.aba9413）

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