【儀表網 研發快訊】近日，中國科學院上海光學精密機械研究所高端光電裝備部激光智能制造研發中心楊上陸研究員團隊聯合香港城市大學呂堅院士、美國加州大學伯克利分校Robert O. Ritchie 院士和上海交通大學陳乃錄研究員團隊成功突破超高強鋼的強度-塑性-韌性組合極限。團隊創新性地發現了打破傳統認知的裂紋前端吸收位錯現象，構建了一種兼具超高強度、塑性和韌性的多尺度材料結構，相關研究成果以“Toughness enhancement by massive dislocation absorption at the crack front”為題發表于PNAS(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)。
如何實現材料卓越性能的同時有效控制成本，一直是激光智能制造應用的追求。然而，由于高Peierls-Nabarro應力和有限位錯運動引起的局域應力集中，提高材料強度通常以犧牲塑性和韌性為代價，導致強度-延性/強度-韌性之間的倒置關系。目前克服強度-延性/強度-韌性倒置的主流方法側重于調整基體合金元素或調控位錯、晶界和/或相界等缺陷。過多的合金元素(Ni、Co和Cr)添加，材料成本會成倍增加，調控材料缺陷所使用的多步鍛造或軋制工藝更為復雜。
研究團隊基于前期發現的位錯越過馬氏體/奧氏體界面(DAMAI)現象，設計并制備了一種低成本的高碳淬火-分配-回火(Q-P-T)鋼，主要微觀組織是貧碳的回火馬氏體(α)及穩定的富碳殘留奧氏體(γ)。在形變過程中，穩定的富碳殘留奧氏體引發DAMAI效應，位錯不斷越過馬氏體/奧氏體界面從α到γ中，導致α“軟化”并提高其形變能力，同時運動到γ中的位錯導致γ“硬化”，在保持50 GPa·%強塑積的同時，斷裂韌性達到了130 MPa·m1/2，并且通過原位透射電鏡發現了打破傳統認知的裂紋前端吸收位錯(DACF)效應。此外，在斷裂過程中，裂紋前端塑性區發生DAMAI效應，裂紋前端相變區發生異常的裂紋前端吸收位錯(DACF)效應，裂紋擴展過程中，馬氏體中的位錯不斷被裂紋前端高韌性奧氏體吸收，顯著緩解了馬氏體中的應力集中，推遲了裂紋在馬氏體中的擴展，該研究將有助于開發高強韌的馬氏體鋼以及其他具有應變誘發馬氏體相變(SIMT)現象的高性能合金。
中國科學院上海光機所楊上陸研究員、香港城市大學呂堅院士、美國加州大學伯克利分校Robert O. Ritchie 院士和上海交通大學陳乃錄研究員為共同通訊作者，張家志博士、于秦博士和田佳壯博士為論文共同第一作者，相關工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、國家自然科學基金/香港研究資助局聯合科研資助基金、中國博士后科學基金等支持。
圖1 高碳淬火-分配-回火(Q-P-T)超高強鋼的微觀結構圖
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