新兴的异质结构材料展现出比传统材料更为优异的强度-延展性组合，这主要源于变形过程中异质区域间的应变/应力分配，尤其是异质界面附近产生的几何必需位错（GND）。GND不仅保障了异质区域间的应变连续性，还贡献了额外的硬化效果，即异质变形诱导（HDI）硬化。尽管异质结构材料优势明显，但仍存在问题。在异质结构材料变形过程中，软区的高应变会在异质界面处诱导大量GND，从而产生背应力硬化。然而，严重局域化的应变也容易致使软区过早出现微损伤形核。因此，如何在获得显著背应力硬化的同时，避免局部损伤过早出现，成为进一步提升异质结构材料强度和延展性的关键所在。

近日，中国科学院金属研究所李殿中院士、王培研究员，联合香港城市大学朱运田教授以及中国科学院高能物理研究所宋温丽副研究员，以奥氏体-铁素体双相钢为模型材料展开研究，揭示了室温单轴拉伸过程中异质区之间独特的强度反转现象。表现出该现象的样品实现了强度与延展性的同步提升。通过多尺度原位力学实验与晶体塑性模拟相结合的方法发现，材料力学性能的改善得益于异质区域间强烈的应变/应力分配，以及由强度反转触发的一种可持续的、动态增强的HDI硬化机制。强度反转使异质区域能够交替承担应变，有效避免了初始软区因过高的局部应变而过早损伤。此外，一旦初始软区的强度超过初始硬区，初始硬区便开始提供背应力。这种异质区域间交替的背应力，确保了HDI硬化能够持续增强而非快速耗尽，进而提高了样品的整体强度。研究还发现，强度反转是否发生以及何时发生，受到初始软区含量、初始软区硬化能力以及异质界面密度的共同影响。相关研究提出了一种新的动态HDI硬化机制，为通过调控各组成相/区的力学属性实现高性能工程材料组织定制提供了新思路。

相关研究成果以“Dynamic hetero-deformation induced hardening through strength reversal between hetero-zones in austenite-ferrite duplex steel”为题，在线发表于《Acta Materialia》期刊。金属所的刘腾远博士和张潇博士为该论文的共同第一作者，王培研究员和李殿中院士为共同通讯作者。该研究工作获得了国家自然科学基金（52201150，52031013和51931003）的资助。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645425004082

图文摘要

图1. 不同样品的微观结构和力学性能

图2. 不同工程应变下以及不同变形区域中奥氏体和铁素体的显微硬度变化

图3. 原位中子衍射拉伸实验过程中不同样品奥氏体和铁素体的晶格应变演变

图4. 不同样品的异质变形诱导（HDI）应力分析

图5. 异质区域之间的强度反转导致的动态异质变形诱导（HDI）硬化示意图

本研究的主要结论如下：

(1) 在室温拉伸试验中，初始较软的奥氏体因其强烈的加工硬化能力和背应力硬化效应而迅速硬化，减小了与初始较硬的铁素体之间的强度差距，并进一步实现了强度反转。因此，最初由奥氏体承受的应变逐渐转移到铁素体，而最初由铁素体承载的应力则逐渐转移到奥氏体。

(2) 样品1中较高的奥氏体含量延长了硬化路径，使奥氏体能够经历充分的应变硬化，并在颈缩前表现出显著的强度反转。强度反转后，相间强度梯度引发了超出混合法则预测的额外硬化。相比之下，由于样品2和样品3中奥氏体含量较低，在颈缩前无法实现明显的强度反转。因此，它们在均匀变形阶段缺乏显著的额外硬化，这限制了样品总强度的进一步提高。

(3) 样品1中由强度反转引起的额外硬化源自一种可持续的、动态增强的HDI硬化效应。强度反转后，较硬的奥氏体和较软的铁素体之间的强度差距随着变形逐渐增大。奥氏体承载正向应力，而铁素体提供背应力硬化，这与反转前的情况相反。值得注意的是，随着强度差距的增大，这种HDI硬化变得更加显著，确保了总应变硬化能力的可持续性，这也是样品1强度提高的关键。

(4) 发生强度反转的临界工程应变受奥氏体含量和高位错胞结构（HBAR）的控制。一方面，较高的奥氏体含量增加了奥氏体内部的微观应变，导致更强的应变硬化。另一方面，较高的HBAR含量在强度反转前在奥氏体（初始软相）中引发了显著的HDI硬化。这两个因素共同加速了强度反转的发生。

(5) 在400°C的单轴拉伸试验中，样品1中奥氏体和铁素体之间的强度反转消失。这是因为400°C时的层错能显著增加，降低了奥氏体的应变硬化能力，使其在整个变形过程中始终保持为软相。因此，样品的屈服强度和抗拉强度随着奥氏体含量的增加而降低。