高比强度钢(HSSS, High Specific Strength Steel)通常含8-12 wt%的铝，其密度比传统钢铁材料降低了约13%，力学性能特点是高强度和塑性的优异匹配。HSSS作为新一代汽车用钢的候选，体现出节约能源和减少温室气体排放的优势，成为轻质高强钢的研发热点。
韩国浦项科技大学的学者2015年在Nature上提出一种新化学成分体系Fe-16Mn-10Al-0.86C-5Ni(wt%)的HSSS，具有体心立方结构FeAl(B2)型金属间化合物与面心立方结构奥氏体的双相组织，同时实现了高强度和大塑性，他们指出脆而硬的金属间化合物引起第二相强化。中科院力学所非线性力学国家重点实验室的科研人员，深入研究了这种HSSS的拉伸行为和微结构演化过程，针对塑性变形和加工硬化机理，提出了不同的理解，并在此基础上获得了更加优异的力学性能 (图 1(a) 和 1(b))。他们观察到在拉伸加载-卸载的循环过程中形成了迟滞环 (图2(a))，即使在拉伸应力状态的卸载过程中就发生了宏观压缩屈服，这表明HSSS在拉伸变形时存在类似包辛格效应的塑性变形，即形成了背应力。进而，利用原位拉伸同步辐射衍射测试 (图2(b))，进一步阐明了背应力硬化的机制及其随应变的演化过程。结合宏观变形响应，揭示了两相组织先发生弹塑性屈服再共同变形的拉伸塑性过程。同时，电子显微观察和同步辐射衍射分析均表明，超细晶的FeAl(B2)金属间化合物是可以进行位错协调变形的。最后，他们提出这种高比强度钢具有复合材料式的拉伸变形特征，即在拉伸变形过程中发生载荷分配和应变分配，应变硬化机理包括背应力硬化 (图2(c)) 和晶粒内部的林位错硬化、而非第二相强化。这些认识对深入理解高比强度钢的变形物理提供了新的思路，对含金属间化合物强化相的轻质高强钢微观组织设计和强韧化提供了有价值的建议。论文评议人认为“This is a carefully conducted piece of work on a very interesting and novel type of weight reduced alloy. The data and the discussion are mostly of high quality and the paper should be clearly considered for publication in Acta. I wish to applaud the team for their nice work.”
该研究得到了国家自然科学基金、科技部973计划等项目的资助。研究结果已在线发表在Acta Materialia期刊。
图1 高比强度钢的力学性能和微结构。(a) 冷轧后不同热处理状态下的工程应力应变曲线 (其中Kim教授发表在Nature, 2015上的结果用虚线表示来作为比较)。 (b) 比强度vs. 均匀延伸率。 (c) 高比强度钢的金相照片(其中白色表示层片状或者颗粒状的B2相)；插图为电子背向散射衍射图像(其中标有彩色的为B2相)。
图2 高比强度钢的塑性响应和加工硬化。(a) 拉伸加载-卸载-再加载测试中的类似包辛格效应迟滞环(卸载应变22.3%)；反向压缩屈服应力由黑色圆圈指出。(b) 原位X-ray衍射测试得到的γ和B2相中拉伸方向的晶格应变随施加应变的变化规律；其中第一到第三阶段分别代表弹性变形、弹塑性屈服以及共变形阶段。(c) 背应力以及背应力硬化率vs. 真应变；总流动应力和总硬化率随真应变的演化规律同样展示作为比较。
