导读：本研究提出了一种通过控制金属材料中马氏体变体选择来突破材料强度和韧性相互制约的新策略。采用高温大变形压缩与未再结晶区压缩相结合的两阶段机械加工工艺制备了高强度低碳钢。经两阶段机械加工处理后，钢的静态和动态再结晶程度最低，原始奥氏体晶粒的平均直径最小为16.4 μm，位错密度最高为10.21×10¹⁴ m^-2。随着调整两阶段变形工艺而对原始奥氏体晶粒产生的细化效果，马氏体相变所需的驱动力增大，变体选择性增强，产生大量细马氏体板条和纳米孪晶，获得了最佳的强度和韧性组合：屈服强度为871 MPa，抗拉强度为1054 MPa，总延伸率为25%。马氏体变体的可控选择通过晶界和位错的强化，起到了同时提高低碳钢强度和韧性的效果。同时，本研究发现也说明了如何通过可控的马氏体变体选择来有意地激活多种变形机制。

含微量合金成分的高强度低碳钢因其强度高、韧性好、焊接性优良等优点，常被用作大型焊接结构，如舰船用钢。然而，低碳微合金的成分设计不可避免地会带来强度等力学性能上的损失，那么后续的处理工艺需要进行调整。长期以来，对高强度金属的追求导致了许多策略的发展，而细晶强化和位错强化等强化手段仍然是许多策略的根源，也是克服强度和韧性相互制约的关键。

热机械控制工艺是实现低碳微合金钢的高强度、良好断裂韧性和焊接性的一种众所周知的方法，而且在生产厚板方面具有独特的优势。通常，在钢的轧制过程中发生动态再结晶。变形后，在道次区间内发生亚动态再结晶、静态回复、静态再结晶和晶粒长大。回复、再结晶和晶粒长大多引发的软化行为必然影响原始奥氏体晶粒的尺寸和位错亚结构。因此，如何通过控制再结晶行为来细化原始奥氏体晶粒和调节位错密度是一个值得深思的研究课题。

金属材料的晶体学特征深受宏观形貌的影响，即原始奥氏体晶粒尺寸可以影响马氏体变体选择。因此，当前研究不能局限于材料的晶粒尺寸等宏观形貌对材料性能影响。然而，目前的研究主要集中在马氏体以及相变的晶体学特征分析上，鲜有研究试图揭示晶体学特征对力学性能的影响。拉伸试验被广泛用于研究金属材料的微观结构和力学性能之间的关系。遗憾的是，揭示拉伸性能与晶体学特征之间关系的尝试还很少，尤其是变体选择对拉伸性能和变形机制的影响。

在本研究中，东北大学申勇峰教授、贾楠教授团队利用两阶段热变形工艺制备出具有不同原始奥氏体晶粒尺度的低碳微合金钢。首次从晶体学角度，探究不同原始奥氏体晶粒尺寸下马氏体变体选择对材料微观组织及强度等力学性能的影响。通过调整马氏体变体选择，实现细晶强化和位错强化等多种强化机制之间的协同作用，达到强度和韧性同步提高的目的。此外，还揭示了马氏体变体选择有意地激活多种变形机制的内在机理。相关研究结果以题为“Controllable selection of martensitic variant enables concurrent enhancement of strength and ductility in a low-carbon steel”发表在International Journal of Plasticity期刊上。

图1为具有不同晶粒度的钢A ~ D中具有代表性的4个晶粒的取向分布图、{100}极图以及马氏体变体分布图。同时为了更清晰地描述马氏体变体的选择规律，从Bain组和CP组的角度对变体进行分组，如图3所示。可以发现，原始奥氏体晶粒尺寸越小，马氏体变体选择性越强。这是由于随着原始奥氏体晶粒的细化，奥氏体的塑性调整难以消除马氏体相变应变，从而通过细化马氏体包、块来实现应变自调节。当原始奥氏体足够小时，只能形成一个足够小的块，产生的马氏体变体越少，变体选择性更强。另外，原始奥氏体晶粒尺寸越小，马氏体变体的Bain分组逐渐减弱而更倾向于进行CP分组。马氏体相变的驱动力是决定马氏体变体不同分组的关键因素。当相变所需的驱动力随着原始奥氏体晶粒尺寸的减小而增大时，有限位错滑移导致的调节减少，但在同一CP组中的6种变体可以容纳大相变应变。因此，在较小的原始奥氏体晶粒中，占优势的CP分组模式更有利于马氏体相变。

 图1. (a)-(d) 来自不同钢中重构的原始奥氏体晶粒的取向分布图. (a1)-(d1) {100}极图，用符号和数字表示理想的24种马氏体变体. (a2)-(d2) 马氏体变体分布图. (a)-(a2) 来自钢A 的G1, (b)-(b2) 来自钢B的G2, (c)-(c2) 来自钢C的G3, 以及 (d)-(d2) 来自钢D的G4.

图2. (a)-(d) Bain组和 (a1)-(d1) CP 组描述了4个原始奥氏体晶粒的晶体学特征. (a2)-(d2) 为相应的晶界分布. (a)-(a2) 来自钢A 的G1, (b)-(b2) 来自钢B的G2, (c)-(c2) 来自钢C的G3, 以及 (d)-(d2) 来自钢D的G4. 蓝线: 5° < θ < 15°, 黑线: 15° < θ < 50°, 灰线: θ > 50°.

图3. (a) 钢A和D的两组平行样的工程应力应变曲线以及 (b) 真应力应变曲线。

图4为钢A和钢D拉伸变形后组织的TEM观察和PED分析。钢A的马氏体板条进一步细化，平均宽度为122 ± 10 nm。而D钢的少量马氏体板条细化到200 nm以下，其余的宽度仍大于300 nm。此外，钢A的马氏体变体选择性仍然更强。一般来说，马氏体板条的细化只能提高强度，而不利于延展性。然而，钢A的大部分主滑移方向和滑移面平行于板条边界，说明其板条平面内滑移系已被激活，从而更有利于位错源的开动和动态回复，导致板条内出现高密度位错。大量的位错能以较长的平均自由路径平行于板条边界滑移，增强了钢的塑性变形能力，从而提高了整体强度和延性。而在钢D中变体的选择性相对较弱。此外，钢D的主要滑移方向和滑移面通常与亚晶界相交，这些亚结构界面倾向于形成板条平面外滑移系。因此，钢A的强度和延展性明显高于钢D。另外，在变形的钢A中也发现了许多被高密度位错包围的纳米级马氏体孪晶。青色箭头指出的孪晶片层与滑移系近似垂直，成为位错运动的有效障碍。位错的滑移导致钢A中少量孪晶界的湮没和位错缠结的积累，使其表现出更高的流变应力。

图4. (a)-(e) 钢A和 (f)-(h) 钢D在拉伸变形后的组织. (a) TEM图像显示了钢A中细小的马氏体板条，右下角的插图是用白色虚线圈出的区域的SEAD图. (b) 显示了图(a)中马氏体变体分布. (c) 图(a)的最大施密特因子和相应的{110}<111>滑移系的组合图. (d)-(e) 分别显示了大量的纳米级马氏体孪晶和位错胞. (f) 钢D中马氏体板条的TEM图像, 以及(g) 对应的马氏体变体分布. (h) 图(f)的最大施密特因子和相应的{110}<111>滑移系的组合图. (i)和(j)分别显示了图(b)和(g)中的24种变体的频率。