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【Science: 分层亚稳纳米层钢中的骨状抗裂性】
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长三角G60激光联盟导读
疲劳失效对所有工程结构以及人的生命造成巨大的风险 ， 在设计中激发了较大的安全系数 ， 从而导致资源使用效率低下 。 受骨骼优异断裂韧性的启发 ， 我们探索了亚稳态辅助多相钢的抗疲劳性能 。 我们在此表明 ， 当钢的微观结构是分层和层压的 ， 类似于骨的子结构 ， 可以实现优异的抗裂性 。 我们的结果表明 ， 调整界面结构、分布和相位稳定性 ， 以同时激活多个抗裂纹扩展的微观机制 ， 是观察到的机械响应跳跃的关键 。 该策略实现的特殊性能为所有抗疲劳合金设计工作提供了指导 。
裂纹路径的扫描电子显微照片 。
当火车、飞机、航天器或发电厂等工程系统的部件发生故障时 ， 人的生命处于危险之中 。 由于循环载荷经常导致这些失效 ， 因此抗疲劳性是部件设计中的主要失效预防目标 。 疲劳是一种材料现象 ， 但主要通过在设计中使用大的安全系数来处理 ， 而不是通过应用材料解决方案 。 为此 ， 为了追求抗疲劳性能的卓越改善 ， 我们受到了骨骼优异断裂韧性的启发（尽管其与抗疲劳性能存在本质差异） 。 骨骼的子结构是分层和层压的 ， 这通过同时激活多个微机制来抵抗裂纹扩展 ， 从而产生了优异的性 。
我们假设（i）通过设计分层抗裂和纳米层压多相微结构 ， 可以将类似的响应传递到金属 ， 以受益于界面结构和分布效应 ， 以及（ii）通过使微结构亚稳态 ， 从而受益于良好调谐和局部相变机制 ， 可以进一步增强电阻 。 总体目标是同时激活粗糙度诱导裂纹终止（RICT）和相变诱导裂纹终止机制（TICT） 。 我们为研究这一假设的有效性而探索的钢具有与骨相似的内在层次结构(图1A) ， 由层状马氏体和亚稳奥氏体相组成(图1、B和F) 。 因此 ， 它们具有三个关键特征的组合:多相、亚稳性和纳米层化 。
图1本实验的钢与骨和其他钢的微观结构对比 。
图2显示了这些多相亚稳纳米层压钢在循环机械载荷下的异常疲劳极限和疲劳寿命 ， 与不同成分的常规钢相比 ， 这些钢不会同时表现出这三个特征（图1 ， C至E） 。 为了验证观察到的疲劳行为中的关键因素是裂纹终止的多种微观机制的目标存在 ， 我们（i）系统地讨论了这种新一代合金相对于常规高强度钢的疲劳性能（图1和图2） ， 以及（ii）提供了裂纹终止机制的微观结构和机械证明（图3和图4） 。
图2 根据应力振幅绘制的失效循环次数 。
图3 亚稳多相纳米层压板钢老化1小时疲劳极限下复制试样表面的光学图像 。
图4 时效1小时的亚稳多相纳米层压板钢中760MPa疲劳裂纹的分层粗糙度 。
本文从典型的汽车高强度钢开始：铁素体-马氏体双相（DP）钢（图1C）显示出相对较低的疲劳极限（图2） 。 将这一性能归因于缺乏可能阻碍裂纹扩展的有效裂纹终止机制 ， 以及软铁素体相和硬马氏体相之间的高机械对比度 。 另一方面 ， 与DP钢（图2）相比 ， 铁素体-渗碳体-珠光体钢（渗碳体 ， Fe3C；图1D）显示出更好的抗疲劳性能 。 在这种钢中 ， 与DP钢的球状结构不同的多相纳米层压板微观结构形态在扩展过程中不断偏转疲劳裂纹 ， 从而在裂纹表面引入摩擦应力 ， 并减缓疲劳裂纹的打开和扩展过程 。
与DP钢（图2）相比 ， 亚稳多相马氏体-奥氏体相变诱发塑性（TRIP）钢（图1E）也显示出改善的抗疲劳性能 。 在裂纹尖端 ， 由面心立方γ-奥氏体向体心立方（或体心四方）α′-马氏体的体积膨胀转变产生的压缩残余应力场的形成抑制了裂纹的萌生和扩展（30） 。 因此 ， 我们将多相TRIP钢的增强以及更高的强度-延性平衡归因于TICT机制 。 然而 ， 与上述RICT对疲劳寿命的影响类似 ， TRIP和TICT的影响取决于应力振幅（图2） 。 当应力振幅较高时 ， 它们的贡献不太有效 ， 因为应力振幅的增加导致较大的塑性应变 ， 这反过来导致在早期加载循环期间通过相变减少亚稳γ-奥氏体的分数 。
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