背景简介

马氏体钢因具有高强度、高硬度以及良好的耐磨性能，被广泛应用于汽车、高强度结构件以及先进能源装备等领域。随着工程装备对材料服役性能要求的不断提高，在保证高强度的同时提升材料塑性和抗断裂能力成为高性能钢铁材料发展的重要方向。马氏体钢的塑性变形行为与其复杂的层级化组织结构密切相关，包括马氏体板条、板条块、板条束以及原奥氏体晶粒（Prior austenite grains, PAGs）等不同尺度组织单元，这些结构共同影响位错运动、局部应变分布以及裂纹萌生行为。

马氏体钢的塑性变形主要包括晶内滑移和晶界变形两种模式，其中低碳马氏体中的晶内滑移行为已得到较深入研究，而晶界变形机制仍缺乏系统认识。相比低碳马氏体，高碳马氏体虽然具有更高强度，但通常表现出较低延性和较差断裂抗力，其脆化机制，尤其是晶界区域的变形行为仍存在争议。一方面，理论计算表明碳元素能够增强铁晶界结合能力；另一方面，高碳马氏体实际服役过程中又容易发生沿晶脆性断裂，说明碳含量对晶界变形行为的影响机制尚未完全明确。因此，该研究结合电子背散射衍射（Electron backscatter diffraction, EBSD）和高分辨率数字图像相关技术（High-resolution digital image correlation, HR-DIC），系统分析不同碳含量马氏体钢的微观组织特征、局部变形行为及晶界变形机制之间的关系。

成果介绍

（1）该研究制备了不同碳含量的马氏体钢材料体系，通过显微组织表征、拉伸性能测试以及断口形貌分析，系统研究了碳含量变化对材料组织结构和宏观力学性能的影响。研究结果表明，随着碳含量增加，马氏体钢的强度水平逐渐提高，但塑性变形能力明显降低，高碳马氏体表现出更强的脆性断裂倾向。如图1所示，尽管不同碳含量马氏体钢具有相近的原奥氏体晶粒尺寸和板条结构特征，但其变形与断裂行为存在显著差异。其中，中碳马氏体在变形过程中能够保持较好的塑性协调能力，而高碳马氏体更易发生沿晶界相关的断裂行为，表明碳含量对马氏体钢力学性能的影响不仅与组织尺度特征有关，还受晶界区域局部变形协调能力的控制。

图1 不同碳含量马氏体钢的组织结构与力学性能表征：(a, d) 04C和06C试样拉伸前的反极图（inverse pole figure, IPF），标出了取向角大于10°的晶界；(b, e) 对应试样的板条束组织分布；(c, f) 板条束尺寸统计结果；(g) 两种材料的拉伸应力-应变曲线；(h, i) 04C和06C试样断口SEM形貌

（2）发现中碳马氏体晶界变形能够诱导二次变形带形成，实现局部应变协调。该研究利用高分辨率数字图像相关技术（HR-DIC）对不同碳含量马氏体钢拉伸过程中的局部应变演化行为进行了分析，揭示了晶界区域在塑性变形过程中的调控作用。研究发现，在中碳马氏体中，晶界区域不仅能够自身协调变形，还可进一步诱导邻近马氏体区域形成二次变形带，使局部应变由晶界区域向周围组织逐渐扩散，从而降低晶界附近的应变集中程度并提高材料整体变形协调能力。如图2所示，中碳马氏体在拉伸过程中晶界区域首先发生变形，随后在邻近板条束区域形成明显的二次变形带，表明晶界并非单纯的位错运动阻碍区域，而是在一定条件下能够促进局部塑性协调。这种晶界诱导的变形扩散机制有效缓解了局部应变集中，是中碳马氏体保持较高塑性和延性的关键微观机制之一。

图2 中碳马氏体原奥氏体晶粒内的局部变形行为：(a) 选定原奥氏体晶粒的习惯面Schmid因子分布；(b) 拉伸塑性应变为1.71%时的平均应变场；(c, d) 分别为0.36%和1.71%应变条件下晶粒内部局部应变分布；(e, f)为高应变区域的放大图；(g, h) 为跨越束群界面的应变分布曲线

（3）揭示高碳马氏体晶界应变集中导致脆性断裂的微观机制。该研究进一步分析了高碳马氏体在拉伸过程中的局部变形行为，发现随着碳含量增加，马氏体内部塑性变形模式发生明显转变。由于高碳马氏体中晶界附近的变形协调能力受到限制，塑性应变难以向周围板条区域有效传递，导致原奥氏体晶界（prior austenite grain boundary, PAGB）和板条束界面附近形成高度集中的局部应变带，并进一步促进裂纹萌生。如图3所示，高碳马氏体主要表现为晶界控制型变形模式，其塑性变形集中发生于原奥氏体晶界和板条束边界区域，而周围马氏体基体区域未出现明显的协调变形行为。这种受限的晶界变形机制降低了材料的塑性储备，使高碳马氏体在获得较高强度的同时表现出较低的断裂延性，并揭示了高碳马氏体晶界脆化与局部应变集中之间的内在联系。

图3 高碳马氏体中的晶界滑移变形行为：(a) 06C试样屈服后局部区域的应变场分布；(b-d) 沿原奥氏体晶界发生滑移区域的IPF取向图、束群结构图及局部应变分布；(e-h) 沿束群界面发生滑移区域的IPF取向图、习惯面Schmid因子分布、束群结构图及应变分布；(i, j) 两类晶界滑移带对应的应变分布曲线

（4）明确了局部变形能力对高碳马氏体晶界变形模式的调控机制。该研究进一步通过热处理调控高碳马氏体内部局部变形能力，对比分析不同状态下材料晶界变形行为的演化规律，从而揭示碳含量影响晶界变形模式的内在机制。研究发现，当通过回火降低材料内部局部临界分切应力（critical resolved shear stress, CRSS）后，即使保持高碳马氏体原有的组织结构特征，材料仍能够重新形成二次变形带，使局部应变由晶界区域向周围组织扩散，表明晶界变形行为主要受局部变形阻力控制，而非单纯由晶粒尺寸或板条结构特征决定。如图4所示，经热处理后的高碳马氏体重新表现出与中碳马氏体相似的协调变形特征，证明降低局部变形阻碍能够有效改善晶界区域的塑性协调能力。进一步地，如图5所示，该研究总结了不同类型马氏体钢中的晶界变形机制，建立了碳含量、局部变形能力、晶界应变集中以及断裂行为之间的关联关系，为高强马氏体钢强度与塑性协同优化提供了新的理论依据。

图4 高碳马氏体经500 ℃回火后的晶界变形行为：(a) 06C-HT试样初始显微组织的IPF取向图；(b) 塑性拉伸应变为1.76%时HR-DIC获得的局部应变场；(c) 对应晶粒平均应变分布；(d-f) 选定区域内沿原奥氏体晶界的局部变形行为，包括习惯面Schmid因子分布、局部应变分布以及晶界与应变场叠加分析

图5 不同类型马氏体钢晶界变形机制示意图：(a) 低碳及中碳马氏体中的晶界变形机制；(b) 低温回火高碳马氏体中的晶界变形行为；(c) 高温回火高碳马氏体中的晶界变形机制

致谢

本文第一作者：Karel Blanken（The University of Tokyo），本文通讯作者：Sien Liu（The University of Tokyo）和Shoichi Nambu（The University of Tokyo）。

本期小编：罗凌颖 （整理）

刘家宁 （校对）

郭子键 （审核）

董乃健 （发布）