大马士革刀花纹实现可控再造

记者5月16日从河北工业大学获悉，河北大学材料科学与工程学院能源装备与材料技术研究所尹付兴教授的金属结构材料团队通过冷轧和退火处理，在多层复合钢基体中构建了层/网耦合界面和多级晶粒结构，实现了大马士革细缝的可控重构，显著提高了多层复合钢的强度和韧性。相关论文发表在冶金与材料学报上

近年来，多层次、多尺度结构的设计理念已成为优化金属结构材料强度和塑性的指导思想，其中多层复合钢和双相锰钢已成为当前的研究热点之一。这些材料主要采用控制轧制和控制冷却技术来构造超细晶体结构，从而获得较高的强度和塑性。通过层间界面或相界面的分层断裂，有效提高了钢材的断裂韧性和冲击韧性。长期以来，平坦的层间界面一直是科研人员追求的目标之一。然而，在实际情况下，随着变形程度的增加，硬相和软相的加工硬化行为会表现出明显的差异，这往往会导致波状界面类型的产生。例如，大马士革刀是由低碳钢和高碳钢通过折叠锻造制成的多层复合结构。界面呈现出复杂的大马士革模式。探索层间界面变形的相容性和金属材料的强韧化效应已成为多层复合钢和双相钢研究的难点之一。

尹付兴团队的研究表明，随着冷轧压下量的增加，304奥氏体不锈钢层的加工硬化行为越来越严重，逐渐表现出明显的局部颈缩甚至断裂现象。研究还表明，位错扩散、形变诱发马氏体和形变诱发孪晶容易发生，显著提高了硬度和屈服强度，导致严重的应变软化。然而，铁素体不锈钢的软相层仍能保持一定的均匀塑性变形能力，内部亚结构细化和位错塞积现象少于硬相层，导致层/网耦合界面的形成。这种“亏格”框架结构具有一定的拓扑不变性:随着变形的增加，软相层总是保证厚度均匀，呈现二维网络连接结构。在随后的扩散退火过程中，层间界面被增强。

尹付兴说，由于硬相层和软相层在加热过程中的回复和再结晶温度不同，这两层晶粒表现出非同步生长的双尺度晶粒特征，即大晶粒通过网格包裹超细晶粒。在承载过程中，必须先破坏网架结构，才能引发后续变形，从而产生反应力强化效应。同时，应变和应力分别由大颗粒网状框架和内部小颗粒承受。因此，多层多尺度结构实现了对多层复合钢进行强韧化的目的。此外，还可以为双相钢界面协同变形行为和增韧机理的研究提供理论指导和技术支持。

相关论文信息:https://doi.org/10.1007/s11661-020-05780-7