大马士革刀花纹的可控再造：聚焦具有层/网耦合组织的异种多层复合钢的研究

近日，材料科学与工程学院，能源装备材料技术研究院殷福星教授领导的高品质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内构筑出层/网耦合界面和多级晶粒组织，实现了大马士革刀花纹的可控再造目的，并显著的提高了多层复合钢的强韧性。相关论文以题为“Deformation behavior and strengthening mechanisms of multilayer SUS304/Cr17 steels with laminated/network interface”发表在Metallurgical and Materials Transactions A上。该论文通讯作者为殷福星教授，第一作者为刘宝玺副研究员。论文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s11661-020-05780-7。

近年来，多级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、双相中锰钢成为目前的研究热点之一。这些材料主要是利用控轧控冷技术构筑超细晶组织，从而获得较高的强度和塑性，通过层间界面或相界面脱层断裂，有效提高钢铁材料的断裂和冲击韧性。一直以来，平直的层间界面是科研工作者追求的目标之一，然而实际情况下，随着变形程度的增加，硬相与软相之间的加工硬化行为会出现显著的差异，往往会导致波浪状界面类型的产生。例如：大马士革刀就是将低碳钢和高碳钢通过折叠锻打的方式构筑出多层复合结构，界面呈现出复杂的大马士革花纹(图1(a))。探索层间界面变形协调性以及对金属材料强韧化的作用规律，成为目前多层复合钢和双相钢研究的难点之一。

本工作研究表明：随着冷轧压下量的增加，SUS304层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(图1(b),1(c))，由于SUS304层为亚稳奥氏体相，在变形过程中极易发生位错增殖、TRIP和TWIP效应，从而使硬度和屈服强度明显升高，同时会导致严重的应变软化现象。而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较硬相层轻微，这样导致层/网耦合界面的形成(图1(d))。这种 “亏格”框架结构，具有一定的拓扑不变量性质：随着变形量的增加，软相层总会保证厚度均匀，且呈二维网络连通结构。在随后扩散退火过程中，层间界面获得增强。由于两相之间回复、再结晶温度不同，软相层和硬相层晶粒表现出异步生长的双尺度晶粒特征，这种层/网耦合的界面和分级晶粒形貌通过框架结构和背应力强化实现了多层复合钢的协同变形能力和强韧化目的。同时，这可为双相钢相间协同变形行为和增韧机理研究提供理论指导和技术支撑。

图1 多层复合钢冷轧重构大马士革花纹 (a)大马士革刀花纹; (b), (c) 层/网耦合界面特征; (d) 硬相与软相层的亚结构特征

自1990年从事贝氏体钢研究工作以来(相关链接：https://link.springer.com/article/10.1007/BF02647892)，殷福星教授团队一直致力于高品质金属材料的研发和应用。近5年，团队在TWIP/TRIP钢、超细纤维晶钢、高熵合金、层状复合钢等领域作出许多原创性工作，主持国家及省部级项目30余项，已在《ACTA Materialia》、《Scripta Materialia》、《Metallurgical and Materials Transactions A》《Materials Science and Engineering A》等权威期刊发表SCI论文50余篇。

审核人：殷福星

图文作者：刘宝玺