导读：对于金属材料来说，强度的提高通常会导致塑性的降低，强度塑性同时提高（SISP）一直是一个热门而又困难的课题。本研究通过高氮(N)合金化，设计了一种新型高氮孪晶塑性（HN-TWIP）钢。当N含量较高时，SISP得以成功实现。与0.3 N相比，0.6 N的极限拉伸强度和均匀伸长率分别提高了95 MPa和5.6%。系统的显微组织分析表明，在高N含量下，变形过程中形成了更多、更薄的孪晶。特别是，与传统的TWIP （CV-TWIP）钢不同，在HN-TWIP钢中检测到许多超细纳米孪晶（<15 nm）。结合流变应力分析，发现其强化行为可归因于N固溶强化和纳米孪晶强化。更重要的是，通过促进平面滑移，超细纳米孪晶提供了额外的加工硬化，延缓了颈缩的出现，从而提高了塑性。换句话说，强度-延性折衷避免的根源是纳米孪晶/超细纳米孪晶微观结构。进一步的研究表明，通过打破低层错能（SFE）和优异的奥氏体稳定性的冲突，HN-TWIP钢获得了SFE的突破性降低。极低SFE的HN-TWIP钢可以获得特殊的纳米孪晶组织和SISP力学行为。因此，只有在合金设计中不断降低SFE，才能在TWIP钢中实现困难的SISP。这是一种新颖、简便的金属力学性能改性方法，对材料的工程应用具有重要意义。
对于结构材料来说，高强度和良好的延展性是非常重要的。然而，众所周知，强度-延性权衡是大多数金属材料的两难选择。当考虑强化时，金属的延展性和韧性的下降通常是不可避免的。因此，同时提高强度和塑性（SISP）是材料研究中最具挑战性的任务之一。近年来，通过构建纳米结构，如纳米颗粒、纳米孪晶和纳米析出物。但强度-延性协同增强的方法鲜有报道，仍然难以摆脱困境。
纳米孪晶的强化效果得到了很好的证明，这可以归因于孪晶数量的增加和孪晶尺寸的减小。然而，当纳米孪晶变薄到某一临界尺寸（15 nm）以下时，就会出现超细纳米孪晶软化效应。更重要的是，通过促进平面滑移，超细孪晶界可以显著提高塑性。在此基础上，如果能够构建一种特殊的微观结构，由足够多的具有超细孪晶边界的纳米孪晶组成，分别增强强化能力和塑化能力，则SISP的实现将是有希望的。
为了在金属中获得预期的纳米孪晶微观结构，通常采用剧烈塑性变形、电解沉积和磁控溅射等方法。其中，剧烈塑性变形是最简单、最有效的方法。但严重的塑性变形手段，如等道角压（ECAP）和高压扭转（HPT），往往是复杂的，昂贵的和样本量有限。一般来说，变形孪晶的演化主要受材料的外部变形条件和内在特性的控制。与外部条件控制相比，通过调节材料的内在特性，可以降低外部条件的限制。层错能作为材料最重要的内在参数之一，直接影响到孪晶的演化。随着SFE的减小，金属的孪晶能力增加，孪晶厚度减小。毫无疑问，降低金属的SFE是调控孪晶演化最简单有效的方法之一。
TWIP钢作为低SFE金属的典型代表，只有通过室温塑性变形才能获得大量的纳米孪晶。由于纳米孪晶组织，TWIP钢获得了良好的强度和塑性匹配。然而，当SFE低于临界值20 mJ/m2时，TWIP钢的变形机制将从孪晶转变为马氏体相变。由于SFE的限制，开发的TWIP钢中的纳米孪晶尺寸不是很小，集中分布在30-40 nm。因此，为了构建一种特殊的纳米孪晶微观结构，避免强度-延性权衡困境，需要一种新的策略来进一步降低SFE。
同一温度下材料的SFE主要受合金成分的影响。对于传统的TWIP （CV-TWIP）钢，只有硅（Si）和锰（Mn）这两种主要合金元素可以有限地降低SFE 。Si削弱了奥氏体的稳定性，促进了ε-马氏体相变。在CV-TWIP钢中，氮(N)是次要合金元素之一。许多研究证明，低含量N对SFE影响不大，但仍存在争议。同时，从对奥氏体不锈钢的研究中，人们普遍认为，在高含量下，N可以大大降低SFE。然而，到目前为止，还没有关于高氮TWIP （HN-TWIP）钢的研究报道（仅高达0.21 wt.%）。事实上，根据TWIP钢研究中广泛使用的热力学模型，高含量的N可以显著降低SFE 。此外，与碳(C)类似，N是另一种具有较强奥氏体稳定能力和固溶强化效果的间隙原子。因此，具有更高奥氏体稳定性的hntwip钢有望获得更低的SFE甚至突破CV-TWIP钢的SFE临界值，这为纳米孪晶/超细纳米孪晶组织的构建和SISP提供了可能。实际上，通过促进从马氏体到孪晶的变形机制，N合金化的FeMnCoCr合金实现了SISP，但对于TWIP钢这样的单相钢，N合金化能否实现SISP还不得而知。
中国科学院金属研究所杨柯、王青川研究团队设计并制备了一种在常压下N含量超过冶炼极限的新型HN-TWIP钢。采用x射线衍射（XRD）、电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）对不同变形水平下的冷变形组织进行表征和比较。系统研究了N含量对SFE、变形孪晶演化和力学行为的影响及其机理，探索了实现SISP的新途径。
相关研究成果以“Simultaneous improvement of strength and plasticity: Nano-twin construction for a novel high-nitrogen TWIP steel”发表在International Journal of Plasticity上。
链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0749641924002717
表1。0 N、0.3 N和0.6 N钢的化学成分（wt.%）。
图1所示。板型拉伸试样示意图。所有尺寸均以毫米为单位。
图2所示。0 N、0.3 N和0.6 N钢在变形前(a)和拉伸断裂后(b)的固溶态相组成包括γ-奥氏体、ε-马氏体和α-马氏体，说明N含量的增加提高了奥氏体的稳定性。
图3所示。在298 K温度下，以应变速率10-3 s-1测量了HN-TWIP钢的拉伸力学行为。(a)插入真应力-应变曲线的工程应力-应变曲线。(b)不同变形阶段的应变硬化速率曲线。(c) Ln(dσ/dε)-lnσ曲线及根据曲线斜率绘制的不同变形阶段，并标注了各阶段的应变范围。(d) B ~ d变形阶段应变硬化指标n值的变化。
表2。0 N、0.3 N和0.6 N钢的力学性能。
图4所示。变形前固溶状态下0.3 N (a)和0.6 N (b)的逆极图（IPF） EBSD图对应的晶粒尺寸分布和拟合的平均晶粒尺寸分别为45.42 μm和38.09 μm。
图5所示。低倍和高倍中断拉伸试样的IPF EBSD图显示了0.3 N和0.6 N钢在不同真应变（a, b） 0.25、（c, d） 0.40和（e, f）0.55下变形孪晶的演变和晶粒取向。RD平行于TA方向。
图6所示。图像质量（IQ） EBSD图显示了0.3 N和0.6 N钢在不同真应变（a, b）0.25、（c, d） 0.40和（e, f） 0.55下的低倍和高倍倍率，显示了与基体取向< 111 > 60°的孪晶界及其占总晶界的百分比。双边界用红线标出，它们的百分比用黄字表示。白色箭头表示少数双胞胎。
图7所示。0.3 N和0.6 N钢在（a, b） 0.25、（c, d） 0.40和（e, f） 0.55真应变下的TEM图像。位错细胞、大尺寸孪晶和超细纳米孪晶的典型显微组织以及位错在孪晶中的储存用黄色箭头表示。在真应变为0.55时，区域的SAED模式呈现出明显的孪生特征。
图8所示。0.3 N和0.6 N钢在（a, b） 0.40和（c, d） 0.55真应变下孪晶片的厚度分布。超细纳米孪晶(<；15 nm)和双片的平均厚度(e)。每个菌株都有500多个双片。
图9所示。0.3 N和0.6 N钢在（a, b） 0.40和（c, d） 0.55真应变下孪晶片的间距分布示出了孪晶片的平均间距(t)。每个菌株要计算500多个双间距。
图10所示。CV-TWIP和HN-TWIP钢的SFE随几种重要合金元素单位含量的变化。虚线表示SFE随元素含量的增加而增加，包括低N、C、Al、Cu和高Mn。实线表示SFE随元素单位含量的增加而减少，包括高N、Si和中Mn，其中本研究中高N的影响最为明显。
图11所示。CV-TWIP和HN-TWIP钢的SFE和奥氏体稳定性随合金元素及其含量的变化纵轴Ms为ε-马氏体转变的起始温度，低Ms表示较强的奥氏体稳定性。横轴为稳态有限元，较低的稳态有限元有利于获得更多、更薄的变形孪晶。元素含量的增加用不同颜色的箭头表示，包括N， C, Cu， Al和Mn。其中，只有HN-TWIP钢能够同时获得较低的SFE和优异的奥氏体稳定性。
图12所示。在不同低温(a)和应变速率(b)下测量的0.3 N和0.6 N钢的工程应力-应变曲线，用实线和虚线区分。插图显示了脆性断裂和韧性断裂的断裂形态。未见DSA现象。
图13所示。0.3 N (a)和0.6 N (b)在0、0.40和0.55真应变下的XRD谱图，γ(200)和γ(220)特征峰展宽。
表3。不同真应变下0.3 N和0.6 N的微应变和位错密度。
图14所示。在0.6 N下，真应变为0.40时，超细纳米孪晶的典型明亮TEM (a)和HRTEM (b)和(c)图像显示了周围的高密度SFs和肖克利部分位错（⊥）。
图15所示。HN-TWIP钢在拉伸过程中的组织演变示意图。变形主要是在低应变时的位错和在高应变时的位错和孪晶的结合。纳米孪晶有利于强化，超细纳米孪晶有利于塑化。
本研究表明，通过高氮合金化来调节变形过程中产生的纳米孪晶组织，可以同时提高HN-TWIP钢的强度和塑性。强度的提高主要来自于高N含量下的N固溶强化、孪晶数量的增加和孪晶尺寸的有限减小，而塑性的增强主要来自于超细纳米孪晶的额外加工硬化，尤其是在变形后期。高N合金打破了低SFE与优异奥氏体稳定性之间的矛盾，使HN-TWIP钢的SFE得到突破性降低。极低SFE的HN-TWIP钢不仅显著提高了孪晶能力，而且明显减小了孪晶尺寸，获得了大量的超细纳米孪晶。这强调了不断降低TWIP钢的SFE的重要性，为实现SISP提供了新的策略，并为优化材料性能提供了研究基础。
