導讀：材料的強度和韌性往往不可兼得，尤其是屈服強度超過2 GPa時難度成倍增加。港大黃明欣等人首次提出高屈服強度誘發晶界分層開裂增韌的新機理，獲得了同時具備極高屈服強度，極佳韌性，良好延展性的低成本超級鋼，為發展高強高韌金屬材料提供了新的材料設計思路。這是黃明欣團隊2017年在《Science》發表創屈服強度-均勻延伸率世界紀錄的超級鋼之后，在鋼鐵領域取得的又一重大成果。
為滿足可持續性發展的要求，全球工業界一直致力于開發及應用高強高韌的輕質、低成本新型結構材料。然而，材料的強度（承載能力）和韌性（抗斷裂能力）往往是魚與熊掌的關系，兩者不可兼得。材料強度的提升往往會降低其韌性，導致材料脆性增加，阻礙其工業應用。因此，發展超高強度同時兼備優良韌性的結構材料，一直是材料科學家及工程師過去幾十年間希望解決的世界級科學難題。尤其是當屈服強度進入2 GPa的超高范疇時，進一步改善材料韌性的難度成倍增加。
最近，由香港大學機械工程系黃明欣教授和美國勞倫斯伯克利國家實驗室的Robert O. Ritchie教授合作領導的科研團隊，成功突破超高強鋼的屈服強度-韌性組合極限，獲得同時具備極高屈服強度（~2 GPa），極佳韌性（102 MPa·m?），良好延展性（19%的均勻延伸率）的低成本變形分配鋼（D&P鋼）（圖1）。
對比現有航空航天用馬氏體時效鋼（例如Grade300，其屈服強度和裂紋萌生斷裂韌性分別是1.8 GPa和70 MPa·m?），此次的高強高韌D&P鋼以低于其5分之1的原材料成本，實現了強度與韌性的同時提升（圖2A）。除了力學性能上的巨大躍升，該團隊開創性地提出高屈服強度誘發晶界分層開裂增韌新機制，獲得超高強鋼鐵材料斷裂韌性的大幅提升；打破了傳統認為的提高強度會降低材料斷裂韌性的常識。此項突破性研究于北京時間2020年05月08日發表于《SCIENCE》雜志上，文章題目為《Making Ultrastrong Steel Tough by Grain-Boundary Delamination》。
高強高韌D&P鋼的研發工作始于2017年。港大黃明欣教授領導的團隊首次提出位錯工程設計理念，前瞻性通過提高位錯密度同時實現提高強度和延展性的創新機理[2]。該研究創造了屈服強度-均勻延伸率的世界紀錄（圖2B），也在《SCIENCE》上獲得發表。（點擊查看）
本次研究基于斷裂力學的理論，系統地評估了高強D&P鋼的斷裂韌性并分析了相關韌化機制。值得注意的是，斷裂韌性是描述材料抵抗裂紋擴展和斷裂的能力，直接決定了材料的應用價值。然而，斷裂韌性無法由普通靜態單向拉伸實驗準確評估。斷裂機理/韌化機制反應了在裂紋尖端特定組織結構處發生的獨特的裂紋萌生和擴展過程。這與拉伸實驗描述的塑性變形完全不同。該項研究表明，通過簡單軋制與熱處理，D&P鋼獲得獨特的兩相層狀組織結構（圖3）。
特別地，錳元素在原奧氏體晶粒邊界富集也保留在組織結構中（圖3）。D&P鋼超高的屈服強度誘發錳元素富集的原奧氏體晶界在垂直于主裂紋面的方向上啟動分層裂紋（圖4）。原奧氏體晶界分層開裂之后，使原本的平面應變斷裂轉變成一系列沿樣品厚度方向的平面應力斷裂過程，極大地提高了D&P鋼的斷裂韌性。該研究首次提出的“高屈服強度誘發晶界分層開裂增韌”的新機理，突破提高強度必然導致斷裂韌性降低的傳統觀點，為發展高強高韌金屬材料提供新的材料設計思路。另外，高強高韌D&P鋼的相變誘導塑性（TRIP toughening）也進一步提高了該材料的斷裂韌性（圖4D）。
此次關于2GPa D&P鋼的研究，創造了材料的屈服強度-韌性組合的世界紀錄，成果于北京時間2020年05月08日在《SCIENCE》發表。文章的通訊作者為香港大學機械工程系的黃明欣教授和美國勞倫斯伯克利國家實驗室的Robert O. Ritchie 教授，第一作者是香港大學機械工程系博士生劉麗女士，美國勞倫斯伯克利國家實驗室的于秦博士為共同一作。
感謝何倫華、陳潔（中國散裂中子源）、焦增寶、欒軍華、何斌斌、王銘對本研究提供的幫助。感謝國家重點研發計劃、自然科學基金、香港研究資助局、美國能源部基礎能源科學對本研究的資助。
圖1（A）三維圖解模型描述了樣品加載方向與D&P鋼組織結構的關系。（B）工程應力應變曲線。（C）J-積分阻力曲線。展示了D&P鋼同時具有極高的屈服強度、韌性和均勻延伸率。
圖2 D&P鋼與其它結構材料的 (A) 屈服強度-斷裂韌性及 (B) 屈服強度-均勻延伸率的對比。
圖3（A）此次D&P鋼的三維立體組織結構。（B）原奧氏體晶粒邊界(PAGBs)在D&P鋼中的分布。（C）三維原子探針證明了Mn元素在原奧氏體晶界處富集。（D）三維示意圖展示了D&P鋼的獨特片層狀結構。
圖4 (A) D&P鋼分層開裂增韌三維示意圖，展示分層裂紋沿著垂直主裂紋的面發生。（B）D&P鋼的斷口形貌，觀察到分層裂紋沿著垂直主裂紋的面發生。（C）分層裂紋沿著原奧氏體晶界（PAGBs）擴展。（D）D&P鋼的TRIP 韌化機理。
參考文獻：
[1]L. Liu?, Qin Yu?, Z.Wang, Jon Ell, M. X. Huang*, Robert O. Ritchie*. Making ultrastrong steel tough by grain-boundary delamination. Science(2020)
[2] B. B. He, B. Hu, H. W. Yen, G. J. Cheng, Z. K.Wang, H. W. Luo*, M. X. Huang*, High dislocation density–induced large ductility in deformed and partitioned steels. Science 357, 1029-1032 (2017).
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