過去20年，大家都認為形變孿晶是TWIP（孿晶誘導塑性）鋼具備好性能的最重要原因，但港大黃明欣團隊實驗發現孿晶對其性能并不重要，相當于重新定義了TWIP鋼，或將引起討論TWIP鋼將來是否需要改名？

孿生誘發塑性鋼（TWIP）鋼是全奧氏體高錳鋼，具備優異的強塑性，是鋼鐵材料研究的熱點之一。過去20多年，傳統觀點一直認為TWIP鋼之所以具備優異的強塑性，主要是由形變孿晶所引起。

港大黃明欣教授團隊的研究結果挑戰傳統觀點，發現孿晶在TWIP中的作用非常有限，間隙碳原子導致高位錯密度才是TWIP鋼具備優秀強塑性的最關鍵因素。相關論文以題為“Therole of interstitial carbon atoms on the strain-hardening rate of twinning-induced plasticity steels”發表在Scripta Materialia上。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2019.11.047

早在2016年，港大黃明欣教授團隊基于位錯密度的測量技術，定量分析TWIP鋼的強化機制，認為TWIP鋼加工硬化的90%是有林位錯強化貢獻，孿晶本身對應力的影響不顯著[1]。

在2018年，以Fe-18Mn-0.75C-1.7Al-0.5Si(wt.%)為研究對象，在室溫到300℃上進行拉伸試樣，采用Inlens模式統計孿晶分數，結合同步輻射定量分析位錯密度。圖1是該TWIP鋼在不同溫度下的拉伸性能和加工硬化曲線，在200℃條件下，發現TWIP鋼的延伸率最大，同時加工硬化率還很高，但形變產生孿晶的體積分數很小，而位錯密度卻相當高。由此可見，孿晶并不是TWIP鋼高位錯密度和高加工硬化的必要條件[2]。

圖1.TWIP鋼在不同溫度下的(a)拉伸性能，(b)加工硬化曲線，(c)孿晶體積分數和(d)位錯密度[2]

為進一步確定TWIP鋼的加工硬化機制，本次研究對比Fe-30Mn-3Al-3Si和Fe-30Mn-0.6C(wt%)兩種TWIP鋼的力學性能及其微觀組織演化。實驗發現，兩種TWIP鋼的加工硬化性能差別很大（如圖2所示），但兩者在拉伸過程中均產生大量的形變孿晶（圖3c），經同等量的塑性變形后，Fe30Mn0.6C的位錯密度顯著高于Fe30Mn3Al3Si（圖4e）。

圖2 兩種TWP鋼的拉伸和加工硬化性能[3]

圖3 兩種TWIP鋼拉伸過程中的孿晶演化[3]

圖4 兩種TWIP鋼拉伸變形后的位錯及位錯密度[3]

通過對比發現TWIP鋼的加工硬化性能與層錯能并不直接相關，碳含量是決定TWIP鋼加工硬化性能的關鍵，不含碳的TWIP的加工硬化性能與316不銹鋼十分接近。進一步分析表明，間隙碳原子影響TWIP鋼的位錯密度演化，進而影響了加工硬化。換句話說，在TWIP鋼中，間隙固溶碳原子才是TWIP鋼高位錯密度和高加工硬化率的關鍵原因(Luoand Huang 2020)，不含碳的TWIP鋼就跟316L不銹鋼一樣(圖5)。

圖5 不含碳的TWP鋼對比316L不銹鋼[3]

鳴謝：感謝黃明欣教授團隊對本文的幫助。參考文獻：

[1]Liang, Z. Y., Y. Z. Li and M. X. Huang(2016). “The respective hardening contributions of dislocations and twinsto the flow stress of a twinning-induced plasticity steel.” ScriptaMaterialia 112: 28-31.

[2]Luo, Z. C. and M. X. Huang (2018).”Revisit the role of deformation twins on the work-hardening behaviour oftwinning-induced plasticity steels.” Scripta Materialia 142: 28-31.

[3]Luo, Z. C. and M. X. Huang (2020). “The role of interstitialcarbon atoms on the strain-hardening rate of twinning-induced plasticitysteels.” Scripta Materialia 178:264-268.

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