「综述荐读」清华大学陈浩教授团队：高强钢中亚稳奥氏体对断裂韧性影响的研究进展

摘要：超高强度钢中亚稳奥氏体调控是协同提升其强塑性的重要策略。亚稳奥氏体在拉伸变形过程中能够通过形变诱发马氏体相变来延迟颈缩并增强材料的加工硬化能力。在超高强度钢部件轻量化及载荷复杂化的趋势下，迫切需要进一步提升其断裂韧性，在保证强塑性的基础上，如何利用亚稳奥氏体相

第一作者：唐景韬

通讯作者：陈浩

通讯单位：清华大学

DOI: 10.11900/0412.1961.2024.00142

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超高强度钢中亚稳奥氏体调控是协同提升其强塑性的重要策略。亚稳奥氏体在拉伸变形过程中能够通过形变诱发马氏体相变来延迟颈缩并增强材料的加工硬化能力。在超高强度钢部件轻量化及载荷复杂化的趋势下，迫切需要进一步提升其断裂韧性，在保证强塑性的基础上，如何利用亚稳奥氏体相增韧是当前研究的重点之一。亚稳奥氏体可以通过相变过程及与裂纹的相互作用导致裂纹的偏转/钝化，来提高材料断裂韧性，但相变产生的新鲜马氏体具有本征脆性，同时微观结构中复杂的力学配分行为改变了裂纹尖端的应力状态，导致相变增韧效应的减弱甚至材料的脆化。本文综述了亚稳奥氏体对高强钢断裂韧性影响的研究进展，总结了其增韧及脆化机制，并展望了未来面向协同强韧化的亚稳奥氏体设计及理论研究。

关键词

亚稳奥氏体, 断裂韧性, 相变

图文精选

本文综述了亚稳奥氏体对高强钢断裂韧性影响的研究进展，总结了其增韧及脆化机制，并展望了未来面向协同强韧化的亚稳奥氏体设计及理论研究。

超高强度钢在航空航天器轻量化方面具有重大战略意义，然而在空天环境服役时，超高强度钢构件存在循环受力及极端载荷的挑战，具有产生微裂纹的倾向，因此超高强度钢的断裂韧性是其关键服役性能之一。在裂纹扩展前，裂纹尖端的耗散能量及释放应力的能力决定了材料的断裂韧性，然而强度的提升往往牺牲了裂纹尖端通过位错滑移释放应力集中的能力，即强度-韧性之间存在倒置关系，部分先进高强钢与超高强度钢的强韧性倒置关系如图1所示。由于TRIP效应需要吸收能量，且奥氏体相作为软相具有较高的本征韧性，因此增加亚稳奥氏体含量是协同实现强韧化的重要手段，但也有研究表明亚稳奥氏体的增韧效应可能会被新鲜马氏体的脆性或奥氏体逆转变时伴生的析出相粗化所抵消。总体而言，目前对亚稳奥氏体及其相变对断裂韧性的影响尚存争议，且其增韧机制与脆化效应均以定性认知为主。本文对亚稳奥氏体相变增韧理论及脆化效应等方面进行论述，并对现有理论及未来面向强韧化的奥氏体设计原则进行总结与展望。

图1 部分高强度钢强度-断裂韧性的Ashby图[38~52]

Fig.1 Ashby plot showing the strength-ductility trade-off of some high-strength steels (For example: twinning-induced plasticity(TWIP) steel[38,39], duplex steel[40-42], transformation-induced plasticity(TRIP)-aided steel[43,44], secondary hardening steel[45-49], and Maraging steel[50-52])

不同于TRIP效应，尽管亚稳奥氏体可以通过相变过程及与裂纹的相互作用提升断裂韧性，但由于裂纹尖端微观组织复杂的力学响应机制及相变产生的新生马氏体的本征脆性，亚稳奥氏体也可能会导致韧化效应减弱甚至产生脆化效应。一方面，裂纹尖端处亚稳奥氏体的塑性变形及应力/应变配分改变了局部应力状态与应力梯度，导致裂纹扩展模式发生改变；另一方面，相较于相变前的奥氏体，新鲜马氏体中有较高的位错密度与过饱和C浓度，导致其本征韧性较差，因此在新鲜马氏体附近更容易产生新生裂纹，加速主裂纹的快速扩展。

应力三轴度是裂纹尖端的静水压力与Mises等效应力的比值，反映了静水压力与偏应力之间的竞争关系。当应力三轴度大于2~3时，更易于发生脆性的解理断裂；反之裂纹将以孔洞聚集方式扩展。在含亚稳奥氏体的钢中，裂纹尖端应力三轴度与亚稳奥氏体中的C含量有关。Lacroix等通过调控C含量(分别为0.15%、0.3%及0.45%，质量分数)及碳配分工艺(TRIP1工艺为410 ℃退火6 min， TRIP2工艺为310 ℃退火4 h)得到具有不同奥氏体含量和稳定性的TRIP钢。相较于TRIP2工艺，高温短时退火的TRIP1工艺可以得到更多的亚稳奥氏体，但亚稳奥氏体力学稳定性较低，具有较快的转变动力学。对不同C含量及TRIP工艺所得样品采用各向同性硬化模型，通过数值模拟方法可以得到在紧凑拉伸加载过程中沿厚方向应变 |ε33ct| (该值与应力三轴度成反比)的分布云图(图3)。一方面，尽管TRIP1工艺中存在较多且不稳定的亚稳奥氏体，可以显著提升样品的均匀变形能力和塑性，但TRIP1工艺处理样品在加载过程中裂纹尖端应力三轴度更大，增大了空洞形成的概率与长大速率，反而降低了样品的断裂韧性；另一方面，在相同的TRIP工艺下，对于不同C含量的样品，随着C含量的增加，应力的三轴度将进一步增加，因此其断裂韧性总体呈下降趋势。

图3 不同相变诱发塑性(TRIP)工艺及C含量下裂纹尖端应变三轴度的分布云图[57]

Fig.3 Contour maps of strain triaxiality distributions exposed to different TRIP treatments and with varying carbon concentrations[57] (|ε33ct|—through-thickness strain, I'—axis: horizontal distance from the crack tip, h'—vertical distance from the crack tip)

总结与展望

马氏体基超高强度钢是航空航天等领域进一步实现轻量化的关键材料，其断裂韧性是在复杂载荷下保证安全性的重要服役性能。亚稳奥氏体相的调控对突破超高强度钢强韧性极限具有重要意义，然而钢铁材料中亚稳奥氏体对断裂韧性的影响尚有争议。本文综述了亚稳奥氏体对断裂韧性影响的研究进展，总结了其增韧及脆化机制，主要结论如下。

(1) 钢铁中的亚稳奥氏体可以通过相变过程和与裂纹的相互作用实现材料韧化，但相变后的新鲜马氏体会作为新生裂纹源的形核位点或改变裂纹尖端应力的状态，反而加速裂纹的扩展，进而造成材料脆化。优化亚稳奥氏体的增韧效应关键在于定量阐明相变增韧机制与脆化机制之间的竞争关系。

(2) 相变增韧机制是目前较为重要的量化亚稳奥氏体增韧的理论工具，依据相变对裂纹扩展的阻力，可以分为能量吸收理论和裂纹尖端钝化理论，前者认为裂纹在扩展前需要吸收相变过程中的能量，后者认为相变体积膨胀产生的应力场增加了裂纹扩展的阻力。能量吸收理论认为裂纹未产生扩展前，相变增加裂纹扩展阻力，但裂纹尖端钝化理论认为此时相变不会对裂纹扩展阻力产生增量。

(3) 亚稳奥氏体脆化主要是因为新鲜马氏体处萌生的裂纹与相变过程中产生的应力再分布。相变后的新鲜马氏体不仅存在本征脆性，且界面处也比基体更加薄弱，强化新鲜马氏体-基体界面及调控亚稳奥氏体在应力状态下的响应对减弱相变后的脆化效应至关重要。

亚稳奥氏体的设计及调控是决定超高强度钢断裂韧性的重要因素，其关键在于如何优化其相变增韧及与裂纹相互作用的同时抑制新鲜马氏体的脆化机制，因此迫切需要在现有理论基础上取得突破，量化亚稳奥氏体及其相变前后裂纹尖端的微观力学行为，其关键点在如下2个方面。

(1) 结合微观组织及亚稳奥氏体转变动力学的微观力学模型。现有的相变增韧理论认为相变由临界应力诱导，即局部的临界应力达到阈值时就会产生瞬时转变，然而超高强度钢中的马氏体相变过程多为应变诱导，塑性变形的累积效应对亚稳奥氏体的相变动力学存在影响；另一方面，相变增韧理论认为相变仅发生于“过程区”之内，“过程区”内的宏观应力大于马氏体相变临界应力，这一近似无法预测亚稳奥氏体的形貌和分布对于断裂韧性的作用。因此，发展结合马氏体相变动力学与代表性微观结构的有限元模型(例如代表性体积单元)对于构建亚稳奥氏体的设计原则至关重要。

(2) 新鲜马氏体及马氏体-基体界面的韧化机制。在超高强度钢时效过程中，奥氏体逆转变与纳米析出相竞争演化，C元素及合金元素的配分使亚稳奥氏体的化学成分具有很大的调控空间。一方面，新鲜马氏体的本征韧性与其化学成分息息相关，化学成分的改变对裂纹尖端位错的运动及增殖行为有很强的影响；另一方面，亚稳奥氏体的化学成分也会影响马氏体相变的驱动力与晶体学特征，从而进一步改变相变后的应力再分配过程。耦合先进的元素表征技术，阐明C、Ni等合金元素在奥氏体、马氏体以及界面之间的配分行为，结合第一性原理计算定性阐明界面强度是进一步理解新鲜马氏体及马氏体-基体界面断裂性质的关键。

引用本文

唐景韬, 姚英杰, 张游游, 吴文华, 李宇博, 陈浩, 杨志刚. 高强钢中亚稳奥氏体对断裂韧性影响的研究进展[J]. 金属学报, 2025, 61(1): 77-87.
Jingtao TANG, Yingjie YAO, Youyou ZHANG, Wenhua WU, Yubo LI, Hao CHEN, Zhigang YANG. Research Progress on the Influence of Metastable Austenite on the Fracture Toughness of High-Strength Steels[J]. Acta Metall Sin, 2025, 61(1): 77-87.