力學(xué)所在高比強度鋼加工硬化機理研究中取得進展

　　高比強度鋼(HSSS, High Specific Strength Steel)通常含8-12 wt%的鋁，其密度比傳統(tǒng)鋼鐵材料降低了約13%，力學(xué)性能特點是高強度和塑性的優(yōu)異匹配。HSSS作為新一代汽車用鋼的候選，體現(xiàn)出節(jié)約能源和減少溫室氣體排放的優(yōu)勢，成為輕質(zhì)高強鋼的研發(fā)熱點。

　　韓國浦項科技大學(xué)的學(xué)者2015年在Nature上提出一種新化學(xué)成分體系Fe-16Mn-10Al-0.86C-5Ni(wt%)的HSSS，具有體心立方結(jié)構(gòu)FeAl(B2)型金屬間化合物與面心立方結(jié)構(gòu)奧氏體的雙相組織，同時實現(xiàn)了高強度和大塑性，他們指出脆而硬的金屬間化合物引起第二相強化。中國科學(xué)院力學(xué)研究所非線性力學(xué)國家重點實驗室的科研人員深入研究了這種HSSS的拉伸行為和微結(jié)構(gòu)演化過程，針對塑性變形和加工硬化機理，提出了不同的理解，并在此基礎(chǔ)上獲得了更加優(yōu)異的力學(xué)性能 (圖 1(a) 和 1(b))。他們觀察到在拉伸加載-卸載的循環(huán)過程中形成了遲滯環(huán) (圖2(a))，即使在拉伸應(yīng)力狀態(tài)的卸載過程中就發(fā)生了宏觀壓縮屈服，這表明HSSS在拉伸變形時存在類似包辛格效應(yīng)的塑性變形，即形成了背應(yīng)力。進而，利用原位拉伸同步輻射衍射測試 (圖2(b))，進一步闡明了背應(yīng)力硬化的機制及其隨應(yīng)變的演化過程。結(jié)合宏觀變形響應(yīng)，揭示了兩相組織先發(fā)生彈塑性屈服再共同變形的拉伸塑性過程。同時，電子顯微觀察和同步輻射衍射分析均表明，超細晶的FeAl(B2)金屬間化合物是可以進行位錯協(xié)調(diào)變形的。最后，他們提出這種高比強度鋼具有復(fù)合材料式的拉伸變形特征，即在拉伸變形過程中發(fā)生載荷分配和應(yīng)變分配，應(yīng)變硬化機理包括背應(yīng)力硬化(圖2(c))和晶粒內(nèi)部的林位錯硬化，而非第二相強化。這些認(rèn)識對深入理解高比強度鋼的變形物理提供了新的思路，對含金屬間化合物強化相的輕質(zhì)高強鋼微觀組織設(shè)計和強韌化提供了有價值的建議。

　　該研究得到國家自然科學(xué)基金、科技部“973”計劃等項目的資助。研究結(jié)果已在線發(fā)表于Acta Materialia 期刊。