港大黄明欣等人首次提出高强度诱发晶界开裂增韧的新机理

简介：材料的强度和韧性往往无法同时实现，特别是当屈服强度超过2 GPa时，难度成倍增加。 香港大学黄明新等人首次提出高屈服强度诱导晶界分层开裂增韧的新机制，获得了具有极高屈服强度、优异韧性和良好韧性的低成本超级钢。延展性，为高强度、高韧性金属的发展奠定了基础。 材料提供了新的材料设计思路。 这是继2017年在《Science》上发表创造屈服强度-均匀伸长率世界纪录的超级钢后，黄明欣团队在钢铁领域取得的又一重大成果。

为了满足可持续发展的要求，全球工业界一直致力于高强韧性的新型轻质、低成本结构材料的开发和应用。 然而，材料的强度（承载能力）和韧性（抗断裂性）往往是一种权衡，不能两者兼得。 增加材料的强度往往会降低其韧性，导致材料变得更脆，阻碍其工业应用。 因此，开发具有超高强度和优异韧性的结构材料一直是材料科学家和工程师在过去几十年里希望解决的世界级科学难题。 特别是当屈服强度进入2 GPa超高范围时，进一步提高材料韧性的难度呈指数级增加。

近日，由香港大学机械工程系黄明新教授和美国劳伦斯伯克利国家实验室Robert O. Ritchie教授领导的科研团队成功突破屈服强度-韧性组合极限超高强度钢，同时获得极高的屈服强度。 (~2 GPa)，低成本变形分布钢（D&P 钢），具有优异的韧性 (102 MPa·m½) 和良好的延展性（均匀伸长率为 19%）（图 1）。

与现有航空航天用马氏体时效钢（如Grade300，其屈服强度和起裂断裂韧性分别为1.8 GPa和70 MPa·m½）相比，这种高强高韧的D&P钢不到1/5的原材料成本降低，强度和韧性同时提高（图2A）。 除了力学性能的巨大跃升外，团队首创了高屈服强度诱发晶界分层开裂诱导的新增韧机制，实现了超高强钢材料断裂韧性的大幅提升； 打破了增加强度会减少材料断裂的传统观念关于回弹力的常识。 这一突破性研究成果于北京时间2020年5月8日发表在《科学》杂志上，标题为《通过晶界分层使超强钢变得坚韧》。

论文链接：

高强高韧D&P钢的研发始于2017年，香港大学黄明新教授领导的团队首次提出位错工程设计理念，前瞻性地实现了位错工程设计的创新机制。通过增加位错密度来提高强度和延展性[2]。 这项研究创造了屈服强度-均匀伸长率的世界纪录（图2B），并发表在《科学》杂志上。 ()

本研究基于断裂力学理论，系统评价了高强D&P钢的断裂韧性，并分析了相关的增韧机制。 值得注意的是，断裂韧性描述了材料抵抗裂纹扩展和断裂的能力，直接决定了材料的应用价值。 然而，普通静态单轴拉伸试验无法准确评估断裂韧性。 断裂机制/增韧机制反映了裂纹尖端特定组织结构处发生的独特裂纹萌生和扩展过程。 这与拉伸实验中描述的塑性变形完全不同。 这项研究表明，通过简单的轧制和热处理，D&P钢获得了独特的两相层状显微组织（图3）。

特别是锰元素富集在原始奥氏体晶界处，并且也保留在显微组织中（图3）。 D&P 钢的超高屈服强度会导致富锰原奥氏体晶界在垂直于主裂纹表面的方向上引发分层裂纹（图 4）。 原始奥氏体晶界脱层裂纹发生后，原始平面应变断裂转变为沿试样厚度方向的一系列平面应力断裂过程，大大提高了D&P钢的断裂韧性。 该研究首次提出“高屈服强度诱导晶界分层开裂增韧”的新机制，突破了强度增加必然导致断裂韧性下降的传统观点，为材料设计提供了新的思路。高强度、高韧性金属材料的开发。 此外，高强高韧D&P钢的相变诱导塑性（TRIP增韧）也进一步提高了材料的断裂韧性（图4D）。

这项针对 2GPa D&P 钢的研究创造了该材料屈服强度-韧性组合的世界纪录。 该成果于北京时间2020年5月8日发表在《SCIENCE》上。 文章的通讯作者为香港大学机械工程系黄明欣教授和美国劳伦斯伯克利国家实验室的Robert O. Ritchie教授。 第一作者为香港大学机械工程系博士生、美国劳伦斯伯克利国家实验室教授刘莉女士。 于勤博士为共同作者。

我们要感谢何伦华、陈杰（中国散裂中子源）、焦增宝、栾俊华、何彬彬和王明对本研究的帮助。 我们衷心感谢国家重点研发计划、自然科学基金会、香港研究资助局和美国能源部基础能源科学对本研究的资助。

图1(A)三维图形模型描述了样品加载方向与D&P钢显微组织之间的关系。 (B) 工程应力-应变曲线。 (C) J-积分电阻曲线。 这表明D&P钢同时具有极高的屈服强度、韧性和均匀延伸率。

图2 D&P钢与其他结构材料的(A)屈服强度-断裂韧性和(B)屈服强度-均匀伸长率比较。

图3（A）D&P钢的三维结构。 (B) D&P 钢中原奥氏体晶界 (PAGB) 的分布。 (C)三维原子探针证明Mn元素在原始奥氏体晶界处富集。 (D) 三维示意图，显示 D&P 钢独特的层状结构。

图4（A）D&P钢分层裂纹及增韧三维示意图，可见分层裂纹沿垂直主裂纹平面发生。 (B) D&P 钢的断口形貌。 观察到分层裂纹沿着垂直主裂纹的平面发生。 (C) 分层裂纹沿着原奥氏体晶界 (PAGB) 传播。 (D) D&P钢的TRIP增韧机制。

参考：

[1] L. Liu、Qin Yu、Z.Wang、Jon Ell、MX Huang*、Robert O. Ritchie*。 通过晶界分层使超强钢变得坚韧。 科学（2020），DOI：10.1126/科学。 aba9413。

[2] BB He，B. Hu，HW Yen，GJ Cheng，ZKWang，HW Luo*，MX Huang*，高位错密度导致变形和分区钢的大延展性。 科学 357, 1029-1032 (2017)。

*感谢黄明新教授团队对本文的大力支持！