在国家自然科学基金项目（批准号:U1764252）等资助下，由香港大学机械工程系黄明欣教授和美国劳伦斯伯克利国家实验室罗伯特·里奇（Robert O. Ritchie）教授领导的科研团队提出了“高屈服强度诱发晶界分层开裂增韧”的新机理，突破了超高强钢的屈服强度-韧性极限。研究成果以“晶界分层增韧超高强钢（Making Ultrastrong Steel Tough by Grain-Boundary Delamination）”为题，于2020年5月8日在《科学》（ Science）上在线发表。论文链接：https://science.sciencemag.org/content/early/2020/05/06/science.aba9413。

　　为满足可持续性发展的要求，工业界一直致力于开发低成本、轻质且具有高强高韧的新型结构材料。然而，材料的强度和韧性往往是鱼与熊掌的关系，两者不可兼得。材料强度的提升往往会降低其韧性，导致材料脆性增加。因此，发展超高强度兼具优良韧性的结构材料，一直是材料科学家及工程师试图解决的难题。尤其是当屈服强度进入2 GPa的超高范围时，进一步改善材料韧性的难度成倍增加。

　　最近，科研团队获得了同时具备极高屈服强度（~2 GPa）、极佳韧性（102 MPa·m½）以及良好延展性（19%的均匀延伸率）的低成本变形分配钢（D&P钢）。对比现有航空航天用马氏体时效钢（例如Grade300，其屈服强度和裂纹萌生断裂韧性分别是1.8 GPa和70 MPa·m½），高强高韧D&P钢以较低的原材料成本实现了强度与韧性双提升（图1）。同时团队开创性地提出高屈服强度诱发晶界分层开裂增韧新机制。研究表明，通过简单轧制与热处理，D&P钢获得了独特的两相层状组织结构（图2）。D&P钢超高的屈服强度诱发锰元素富集的原奥氏体晶界在垂直于主裂纹面的方向上启动分层裂纹。原奥氏体晶界分层开裂之后，原本的平面应变断裂转变成一系列沿样品厚度方向的平面应力断裂，从而极大地提高了D&P钢的断裂韧性。

　　该研究颠覆了传统的提高强度必然导致断裂韧性降低的观点，为发展高强高韧金属材料提供新的设计思路。

图1 D&P钢与其它结构材料屈服强度-断裂韧性的对比

（a）D&P钢的三维立体组织结构

（b）原奥氏体晶粒边界在D&P钢中的分布

（c）三维原子探针证明了Mn元素在原奥氏体晶界处富集

（d）三维示意图展示了D&P钢的独特片层状结构

图2 D&P钢微观组织示意图