现代工程领域对低成本且高性能的结构材料需求迫切，但材料领域长期存在强度提升常以延展性和韧性为代价的固有权衡问题，现阶段侧重于调整基体合金元素或调控位错、晶界和/或相界等缺陷来解决强塑性不匹配问题，但这些方法常添加过多合金元素，使材料成本升高，或因工艺复杂、易变形不均等而产生局限。

据了解，近日《PNAS》期刊上报道了一种由板条马氏体和富碳残余奥氏体组成的异质钢，裂纹尖端出现了异常的大量位错吸收。裂纹前端韧奥氏体对位错的吸收显著缓解了局部应力集中，从而延缓了回火马氏体中的裂纹扩展。这使得通过简单的淬火-配分-回火工艺制造的钢能够获得优异的强塑性及韧性，为开发低成本的高强度延展性钢和其他具有类似显微组织的合金提供了一条有前景的途径。

文章链接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2511830122

该研究通讯作者为中国科学院上海光机所杨上陆研究员、香港城市大学吕坚院士、美国加州大学伯克利分校Robert O. Ritchie院士和上海交通大学陈乃录研究员，论文共同第一作者为张家志博士、于秦博士和田佳壮博士，相关工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家自然科学基金/香港研究资助局联合科研资助基金、中国博士后科学基金等支持。

【核心内容】

在这项工作中，研究人员们发现经Q-P-T工艺处理的钢，在裂纹前端出现了不常见的大量位错吸收（DACF）现象，还有马氏体与奥氏体界面间的位错传输（DAMAI）效应。这两种情况能明显减轻局部应力集中，阻止裂纹继续扩散，使这种钢的强塑积超过50GPa・%，断裂韧性也超过130MPa・m¹/²。

【研究方法】

该研究团队先对Fe-0.67C-1.48Mn-1.53Si-0.038Nb（wt.%）成分的钢做归一化预处理，再用淬火-分配-回火（Q-P-T）工艺完成制备。之后用XRD、EBSD、TEM、3D-APT、XLPA技术分析钢里的相组成、微观组织、元素分布和位错密度，通过拉伸试验测出钢的力学性能，并借助原位TEM观察裂纹扩展时位错的运动情况，最后结合分子动力学模拟，验证了位错传输的合理性。

【研究成果】

① 力学性能突破

该研究中所制备的Q-P-T钢综合力学性能特别优异，其纵向强塑积超过了50GPa・%，断裂韧性能达到130MPa・m¹/²，试样的横向力学性能也同样良好，强塑积可达到42.1GPa・%，断裂韧性78.5kJ・m⁻²，整体的损伤容限比现在已有的低合金钢更优秀。

Q-P-T样品的机械性能和断裂特性

力学性能对比图

② 微观结构

Q-P-T钢中具有回火马氏体（α）和残余奥氏体（γ）混合的异质结构，其中残余奥氏体（γ）占总体积的14.5%，碳含量达到1.37wt.%，可以使钢材在达到稳定性的同时又可以获得韧性。回火马氏体（α）里的η-碳化物和NbC能起到沉淀强化的作用，为钢材力学性能的提升提供了结构基础。

异质Q-P-T钢的微观组织

③ 核心机制

该研究首次观察到了裂纹前端中大量位错吸收（DACF）现象和马氏体/奥氏体界面位错传输（DAMAI）效应，前者缓解了α及界面应力集中和阻碍了裂纹扩展，后者提升了材料的延展性，二者协同作用突破了合金强韧性权衡难题。

Q-P-T样品裂纹前沿塑性区的增韧机制

Q-P-T试样裂纹前沿转变区的增韧机理

【总  结】

这项研究中的Q-P-T钢具有回火马氏体和残余奥氏体的异质结构，存在DAMAI效应和DACF现象，使钢材钢材的强塑积超过了50GPa・%，断裂韧性也超过130MPa・m¹/²，该性能不仅优于现在已有的低合金钢，而且成本低、容易生产，具有较高的价值。