论文题目：Lüders strain ductilizes a 1.2 GPa high-strength metastable steel via delaying martensite transformation

期刊：Advanced Powder Materials

DOI：https://doi.org/10.1016/j.apmate.2026.100403

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01 文章摘要

吕德斯带的形成往往导致金属材料过早颈缩和韧性下降。研究表明，马氏体相变可以稳定吕德斯带并降低亚稳态材料如先进钢和中/高熵合金的吕德斯应变。然而，对于具有高韧性的材料，吕德斯应变对马氏体相变及变形机制的影响尚不明确。本研究对比分析了奥氏体不锈钢的均匀应变、吕德斯应变与微观组织演化之间的关系。结合奥氏体（γ）相的高稳定性和吕德斯应变，吕德斯应变可以通过延迟马氏体相变，使1.2 GPa级高强钢获得更好的韧性。在初始吕德斯应变（第一阶段）期间，主要变形机制是位错滑移，而非应力诱导马氏体相变。随后，由于真应力增加，马氏体相变被明显激活，从而产生进一步的塑性变形。在第一阶段吕德斯应变期间，真应力基本保持稳定，无法有效激活马氏体相变。相比之下，在均匀应变（无吕德斯应变）期间，快速升高的应力加速了A10样品中的马氏体相变，连续屈服行为的试样获得高强度但中等韧性。吕德斯应变过程中马氏体相变的延迟行为为开发高性能亚稳态钢提供了新的可能性。

02 研究背景

在单轴拉伸试验中，应力-应变曲线表现出一种特殊的屈服行为：流变应力并非平稳上升，而是出现突然转变，伴随着特征性的屈服降落（即不连续屈服），随后吕德斯带开始扩展（即屈服点伸长）。通常认为，吕德斯带的扩展（或吕德斯应变）是一种不好现象，它不仅会在构件表面产生条带状褶皱等缺陷，还会加速塑性失稳并降低塑性。然而，近期研究表明，具有较大吕德斯应变的金属材料仍能协同实现高强度-韧性。这种优异的力学性能分别被归因于相变诱导塑性效应、层状异质与相变诱导塑性的结合、异质变形以及高密度位错等机制。遗憾的是，吕德斯应变在变形行为及韧化机制中所扮演的角色尚未阐明。

最近，通过利用并稳定吕德斯应变过程中的早期颈缩，在中熵合金中获得了高强度-韧性，其关键应变机制被确认为吕德斯应变前缘异质变形诱导强化。维持吕德斯带扩展所需的应变硬化主要来源于马氏体相变，这进一步延迟了奥氏体母相和马氏体新生相中塑性变形的启动，最终实现了高强度-韧性。以前研究表明吕德斯应变能够促进应变硬化，但都忽视了奥氏体稳定性的影响。迄今为止，吕德斯应变对马氏体相变的影响及其实现韧化机制尚未得到充分阐明。

03 创新点

（1）通过有限元模拟，证明吕德斯应变阶段真应力基本稳定，而非持续升高，并修正吕德斯应变特征的真应力-应变公式。

（2）第一吕德斯应变阶段，奥氏体向马氏体转变非常少，位错滑移主导塑性变形，随后的二和三吕德斯应变阶段，活跃的马氏体相变，推迟颈缩。

（3）结合高稳定的奥氏体和吕德斯应变，高强钢的颈缩可被推迟，实现优异韧性。

04 文章概述

图1展示了A2和A10试样的微观组织。两试样的组织均是由奥氏体和马氏体组成，A2试样中奥氏体晶内有高密度位错、位错缠结等引起的位错胞/亚结构、层错。不同于A2试样中，A10试样组织中还有奥氏体再结晶晶粒。当退火保温时间从2 min增长至10 min，奥氏体发生了部分再结晶，位错密度降低，且亚结构尺寸稍微长大。

图1 微观组织表征：(a, c, d, e) A2试样，(b₁, b₂, f) A10试样，(a, b₁, b₂) EBSD, (c, f) ECC, (g) XRD, (d, e) TEM表征技术

图2所示为该高强钢的室温力学性能和变形行为。A1和A2试样表现出不连续屈服和吕德斯应变，A5和A10试样表现为连续屈服行为。针对A2试样的吕德斯应变，通过DIC分析，展示了非连续的三阶段吕德斯应变（或应力平台）。另外，通过对该钢不同程度冷轧和热处理，获得足够充分的工程应力应变数据，并对比发现，含吕德斯应变的试样展示出更优的强韧性。我们也对比该钢和其他钢，其1.2 GPa屈服强度和25%均匀延伸率的力学性能具有优势。

图2 力学性能：(a) 在750 °C下经不同退火时间处理试样的工程应力-应变曲线，以及吕德斯应变，(b) 采用DIC，局部应变随时间的演变，(c) 不同状态下（CR：冷轧，温度×保温时间）材料的屈服强度与均匀延伸率的关系，(d) 本钢与其他高强钢及中熵合金的屈服强度与均匀延伸率对比

图3所示为A2和A10试样的宏微观变形行为。通过有限元仿真，计算了吕德斯应变阶段真应力相对稳定的特征。也修正了吕德斯应变特征的真应力-应变公式。利用原位力学EBSD等技术表征了A2和A10试样变形机制的不同，包括马氏体相变和位错滑移。利用微柱压缩，研究了奥氏体和马氏体单晶粒的屈服和随后变形行为。

图3 力学性能与马氏体相变：(a) 采用有限元模拟获得的A2样品的吕德斯应变，(b) A2样品有限元模拟中的真应力-真实变曲线。(c) A2和A10样品的真应力-真实变曲线，(d, e) 原位EBSD分析显示α′马氏体相变，(f) 微柱压缩测试获得的工程应力-应变曲线及两个初始微柱的形貌

图4所示为拉伸变形13%时微观组织演变。对比了A2试样中大量的位错滑移和微弱的马氏体相变，以及A10试样中活跃马氏体相变和位错滑移。马氏体相形成既促进加工硬化，马氏体内高密度位错进一步阻碍马氏体塑性变形，使得临近奥氏体的变形机制被加快。马氏体/奥氏体界面的非共格和畸变特性，也促进了位错发射和阻碍位错运动，使得A10试样的加工硬化能力非常强，过程中塑性变形能力逐渐减弱。

图4 A2和A10样品在工程应变为13%后的TEM (a, b)、球差校正TEM分析 (c–f) 及纳米硬度测试(g)

图5为示意图，从工程应力-应变曲线、DIC应变场、微观组织三方面分析和总结A2试样中屈服和吕德斯应变阶段的宏微观关系。

图5 描述A2样品应变过程及高韧性机制的示意图。(a₁–a₄) 不同阶段的真应力-真实变曲线，包括吕德斯带形核及吕德斯带1~3的扩展过程，(b₁–b₃) 吕德斯带形核与扩展机制，涵盖位错钉扎、位错强化及α′马氏体相变，(c₁–c₄) 考虑位错运动和α′马氏体相变的应变机制与高韧性机理（同时展示了各符号的含义）

05 启示

我们通过耦合高稳定性γ相与吕德斯应变，提出了一种新的强韧化策略。吕德斯应变通过延迟α′马氏体相变，能够使一种1.2 GPa级高强度奥氏体不锈钢实现增韧。A2样品实现了1243 MPa的优异屈服强度和35%的总延伸率，其变形过程中伴随着三个阶段的吕德斯带扩展。在屈服后的第一阶段吕德斯应变期间，由于γ相具有高的机械稳定性，其关键变形机制是位错行为（包括位错滑移和增殖），而非应力辅助马氏体相变。位错增殖引起的位错强化在第一阶段吕德斯带扩展过程中抑制了材料的过早颈缩。这些发现凸显了将大吕德斯应变与高稳定性γ相耦合，对于实现亚稳相材料强韧化协同的重要意义。

引用信息：Tianle Li, Renhao Wu, Lezong Chen, Zaigham Saeed Toor, Xiaochun Liu, Hyoung Seop Kim, Lüders strain ductilizes a 1.2 GPa high-strength metastable steel via delaying martensite transformation, Adv. Powder Mater. 5 (2026) 100403. https://doi.org/10.1016/j.apmate.2026.100403

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原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772834X26000114