低成本高性能的结构材料一直是现代工程应用的追求。然而，由于高Peierls-Nabarro应力和有限位错运动引起的局域应力集中，提高材料强度通常以牺牲塑性和韧性为代价，导致强度-延性/强度-韧性之间的倒置关系。目前克服强度-延性/强度-韧性倒置的主流方法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。但是过多的合金元素尤其是Ni、Co、Cr等使材料的成本增加，而调控材料缺陷所使用的多步锻造或轧制等会导致工艺复杂。

对此，中国科学院上海光学精密机械研究所杨上陆研究员团队联合香港城市大学吕坚院士团队、加州大学伯克利分校Robert O. Ritchie院士团队和上海交通大学陈乃录研究员团队，基于前期发现的位错越过马氏体/奥氏体界面（DAMAI）现象，设计了一种廉价的高碳淬火-分配-回火（Q-P-T）钢，在保持50 GPa·%强塑积的同时，断裂韧性达到了130 MPa·m^1/2，并且通过原位透射电镜发现了打破传统认知的裂纹前端吸收位错（DACF）效应。相关工作以“Toughness enhancement by massive dislocation absorption at the crack front”为题发表在PNAS。通讯作者为杨上陆研究员、吕坚院士、Robert O. Ritchie院士和陈乃录研究员，第一作者为张家志博士、于秦博士和田佳壮博士。

论文链接：

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

过去的研究通常报导位错在裂纹尖端发射，并向远离裂纹尖端的方向运动，然后留下无位错区域（DFZ），裂纹扩展取决于无位错区的断裂及裂纹尖端发射位错行为。此外，在裂纹尖端到达晶界（GB）之前，位错通常在晶界处堆积，然后在晶界的另一边产生并发射新的位错。本研究通过简单的淬火-分配-回火工艺设计了成分素化且具有异质结构的高碳低合金Q-P-T钢，主要组织是贫碳的回火马氏体（α）及稳定的富碳残留奥氏体（γ）。在形变过程中，稳定的富碳残留奥氏体引发DAMAI效应，位错不断越过马氏体/奥氏体界面从α到γ中，导致α“软化”并提高其形变能力，同时运动到γ中的位错导致γ“硬化”，从而显著提高了塑性。此外，在断裂过程中，裂纹前端塑性区发生DAMAI效应，裂纹前端相变区发生异常的裂纹前端吸收位错（DACF）效应，裂纹扩展过程中，马氏体中的位错不断被裂纹前端高韧性奥氏体吸收，显著缓解了马氏体中的应力集中，推迟了裂纹在马氏体中的扩展，从而提升了断裂韧性。

根据前期的研究，显著的DAMAI效应至少需要10 vol.%的奥氏体才能产生，而过多的相变诱发塑性（TRIP）效应对韧性有害。因此，本研究基于DAMAI效应和新发现的DACF效应提出了增韧新策略，即保持奥氏体分数大于10%以产生DAMAI和DACF效应并尽可能降低应变诱发马氏体相变（SIMT）。该策略将有助于开发高强韧的马氏体钢以及其他具有SIMT现象的高性能合金。

图1. Q-P-T钢的微观结构。

图2. Q-P-T钢的力学性能和断口表面微观结构。

图3. Q-P-T钢裂纹前端塑性区原位TEM。

图4. Q-P-T钢裂纹前端相变区原位TEM及增韧机理示意图。

图5. Q-P-T钢力学性能和其他合金比较。