为了削减能源消耗和环境污染，工业界对金属资料的机械功能提出了更高的要求，尤其是强度、延展性和开裂耐性等要害目标。传统金属资料一般具有均匀的微观结构，其本征耐性首要与资料的延展性有关。跟着金属资料强度的进步，其延展性一般会下降，因而，本征耐性也随之下降。事实上，金属资料的耐性是由本征和外部增韧一起决议的。外部增韧的典型表现形式为裂纹的偏转、桥接、分叉和分层增韧等。发动分层增韧需求两个必要条件：在微观结构上，需求有“相对较弱界面”以帮忙开裂；在能量上，需求有超越“弱界面”临界开裂应力的“高应力”来摆开“弱界面”。因而，依据增韧机制，经过微观结构规划来开发强度、延展性和开裂耐性兼具的金属结构资料。
近期，四川大学黄崇湘教授团队和钢铁研讨总院曹文全团队经过向马氏体基体引进纤维状铁素体，激活了分层增韧，制备出一种超高强高韧（屈从强度1560 MPa、抗拉强度、2103MPa、均匀延伸率7.3%、开裂延伸率10.7%、开裂耐性105 MPa m1/2）的双相结构中锰钢。经过单轴拉伸和开裂耐性测验及裂纹扩展的表征，发现铁素体/马氏体界面供给了分层增韧所需的“相对较弱界面”，高屈从强度供给了超越“弱界面”临界开裂应力所需的“高应力”，成功发动了分层增韧机制，引发主裂纹在扩展过程中产生偏转、桥接和分叉，极大地进步了资料的开裂耐性。这项研讨突出了纤维状铁素体的效果，为进一步规划强耐性兼具的结构资料供给了典范。相关效果以“High fracture toughness of an ultra-strong medium Mn steel with fibrous ferrite in a martensitic matrix”为题发表于期刊Materials Science & Engineering A上。论文榜首作者为四川大学博士研讨生张超，通讯作者为钢铁研讨总院曹文全教授和四川大学黄崇湘教授。
图 1. 所研讨钢材的微观结构。（a）纵向显微安排的光学图画。（b）纵向显微安排的扩展图，铁素体和马氏体分别被标记为“F”和“M”。（c）横截面显微安排的光学图画。（d）马氏体和铁素体的 EBSD 图画。（e）特征区域的扩展图，其间赤色实线表明高视点晶界，绿色实线表明低视点晶界。（f）和（g）分别为铁素体和马氏体在相同外加载荷下的显微硬度压痕。
图 2. 所研讨钢材的拉伸和开裂功能测验。（a）拉伸工程应力-应变曲线和相应的实在应力-应变曲线（插图）。（b）在室温（RT）条件下由紧凑拉伸（CT）试样测得的J积分阻力曲线（J-R曲线. 沿轧制方向样品的裂纹扩展。（a）未开裂试样微观开裂旁边面的扫描电镜显微照片，显现主裂纹的扩展。（b-e）特征区域（（a）中白色虚线框）的相应扩展图。（f）开裂试样旁边面的光学图画，显现主裂纹呈锯齿状扩展。（g）特征区域的扩展图。
图 4. 笔直于轧制方向试样的裂纹扩展。（a）未开裂试样微观开裂旁边面的扫描电镜显微照片，显现了主裂纹的扩展。（b-d）特征区域的相应扩展图。
图 6. 所研讨钢材与其它高强度钢的力学功能比照图。（a）开裂耐性与屈从强度比照图。（b）开裂耐性与抗拉强度比照图。高强度钢包含双相钢、马氏体时效钢、马氏体钢、高碳钢、TRIP 钢、高强度低合金钢、奥氏体不锈钢、低碳贝氏体钢、纳米贝氏体钢和高锰钢。
本研讨分别对沿轧制方向和其笔直方向的紧凑拉伸（CT）试样（主裂纹扩展方向笔直/平行于纤维状铁素体长度方向）进行了开裂耐性测验。依据成果得出，沿轧制方向试样因为铁素体/马氏体界面分层，导致了主裂纹的偏转、桥接和分叉。一起，依据开裂能量原则（the energy criterion for fracture），在主裂纹偏转的一起，裂纹顶级之前的塑性区域也会相应扩展。经过与其它高强度钢材的机械功能作比照，发现沿轧制方向试样在本征和外部增韧一起效果下，有很高的开裂耐性（105 MPa m1/2），打破了传统以为的进步强度会下降开裂耐性的知识。而笔直于轧制方向试样的主裂纹首要沿着铁素体/马氏体界面扩展，从外部增韧取得的耐性进步较低，因而其开裂耐性（56 MPa m1/2）较低。
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