東北大學易紅亮團隊《JMST》長篇綜述！應變速率對高錳鋼的影響規律

近日，東北大學數字鋼鐵全國重點實驗室易紅亮教授團隊、育材堂（蘇州）材料科技有限公司與德國多特蒙德工業大學合作，于《Journal of Materials Science & Technology》（Volume 237, 2025）發表長篇綜述文章。該文系統梳理了應變速率對高錳鋼的影響規律，為動態載荷下的合金設計與性能優化提供重要參考。文章從“力學性能 - 微觀結構 - 變形機制”三個維度，全面解析應變速率的作用機制，對指導工業生產、服役應用（如汽車結構件、防彈材料）及學術探索具有重要意義。

主要亮點包括：

（1）全面分析高錳鋼力學性能的應變率依賴性，涵蓋強度、應變硬化能力及延性等關鍵指標；

（2）闡明應變速率效應的潛在機制，包括熱激活、晶格摩擦、絕熱溫升、聲子阻力與動態應變時效；

（3）強調高錳鋼中應變速率相關行為的復雜性與爭議性，這一現象源于軟化機制與硬化機制的競爭作用；

（4）展望未來研究方向與優化策略，為設計可適應各類應變率條件的高錳鋼提供參考。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.03.026

在汽車碰撞防護、國防裝備抗沖擊等依賴動態載荷的關鍵場景中，高錳鋼（HMS）憑借“強而不脆”的獨特優勢，占據材料選擇的核心地位。尤其是TWIP鋼、Fe-Mn-Al-C輕質鋼等品類，更因出色的應變硬化能力，成為工業界與學術界的研究焦點。但長期以來，高錳鋼在高應變速率下的性能表現始終存在研究缺口，汽車碰撞時應變率可達102-103 s?1，國防裝備甚至需承受105 s?1以上的極端沖擊。而這一過程中，絕熱效應、動態應變時效（DSA）、相變等復雜現象會徹底改變材料的力學行為與微觀結構，傳統準靜態研究結論難以直接套用；此前相關研究也多聚焦單一應變速率或某一性能指標，缺乏系統性的整合分析。

圖1 應變速率范圍及分類

應變速率對高錳鋼強度、延性的影響，本質是應變速率硬化、絕熱軟化以及DSA激活三者的競爭結果。在屈服強度方面，高錳鋼普遍呈現正應變速率敏感性（PSRS），高應變速率會縮短熱激活時間，使位錯更難跨越障礙，而進入動態區間（＞103s?1）后，粘性聲子阻力成為主導因素，進一步推高屈服強度。應變硬化與延展性的表現則更為復雜，無碳高錳鋼（如FeMnSiAl）因高應變速率抑制動態回復，位錯與孿生增殖，呈現PSRS特征，強度與延展性同步提升；而含碳高錳鋼（如FeMnC）在高應變速率下，DSA會因位錯等待時間短于溶質擴散時間而被抑制，同時絕熱加熱使層錯能（SFE）升高、孿生受抑，出現負應變速率敏感性（NSRS），抗拉強度和延性均下降。斷裂行為的變化也與應變速率密切相關，低應變速率下，DSA會加劇應力集中，導致材料易沿晶脆斷；高應變速率則緩解應力集中，轉為韌窩型韌性斷裂；但當應變率超過3000 s?1時，易形成絕熱剪切帶（ASB），引發準解理脆斷，這一結論為不同場景下的材料選型提供了關鍵依據。

圖2 應變速率對合金力學性能的影響

圖3 應變速率對合金斷裂行為的影響

在微觀結構層面，應變速率直接決定了高錳鋼的微觀形態，核心體現在形變孿生的雙向調控與位錯亞結構的轉變上。孿生方面，準靜態區間（10?4-10?1 s?1）內，中低SFE合金隨應變速率升高，熱激活受抑，促進孿生啟動；而進入動態區間（＞102 s?1）后，絕熱加熱使SFE驟升，孿生被顯著抑制，孿晶體積分數下降；晶體學形態方面，低應變速率下形成的孿晶更細小，高應變速率下孿晶更粗、間距更大。位錯與亞結構的變化同樣明顯，高應變速率下，位錯密度顯著提升，且分布更均勻，亞結構也從準靜態條件下的“位錯胞”，轉變為動態條件下的“平面滑移結構”，呈現出類似低SFE合金的特征。值得注意的是，動態應變下形成的ASB是材料失效的危險信號，其核心區域因局部高溫（接近熔點）可能形成非晶相，周邊則為納米晶，易成為裂紋萌生源，如何通過增強應變硬化（如促進孿生）延緩ASB形成，也成為綜述重點探討的方向之一。

圖4 應變速率對位錯亞結構的影響

DSA作為含碳高錳鋼的核心變形機制，其活性與否直接由應變速率決定。在低應變速率（＜10?3 s?1）下，溶質原子（主要是C、N）有充足時間擴散，形成柯垂爾氣團，既能釘扎位錯，又能促進孿生，反映在應力-應變曲線上就是明顯的鋸齒狀波動（即Portevin-Le Chatelier效應），硬化效果顯著；而當應變速率超過10?1 s?1后，位錯運動速度過快，溶質原子無法及時跟進，柯垂爾氣團無法重建，DSA失效，鋸齒波動消失，材料的硬化能力也隨之驟降，這一機制的厘清，為通過成分調控優化高錳鋼動態性能提供了明確思路。

圖5 應變速率對PLC應變行為的影響

圖6 柯垂爾氣團在刃型位錯應變場中的重建行為

東北大學易紅亮教授和多特蒙德工業大學侯勇研究員為論文通訊作者，第一作者為東北大學劉棟博士。該目前該文章已開放獲取（Open Access），DOI為https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.03.026，可直接下載。建議相關領域同行參考，共同推動高錳鋼在動態載荷場景中的應用突破。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝作者團隊支持。