重新審視孿晶作用：高錳鋼靜動態性能提升機制的功能解耦

在高性能結構材料領域，高錳鋼因其出色的強度-延展性組合而備受關注。形變孿晶長久以來被視為其實現性能協同的核心機制。然而，隨著研究從準靜態拉伸拓展到動態沖擊，一個根本性問題浮現：孿晶在不同力學性能中扮演的角色是否相同？它是否是實現全面高性能的絕對前提？

針對上述關鍵科學問題，東北大學、芬蘭國家技術研究中心、日本東北大學和重慶大學國際聯合團隊，通過精巧的合金設計，系統解耦了孿晶的作用。

核心發現：拉伸與沖擊，孿晶作用截然不同

研究發現，孿晶在材料不同性能中的貢獻具有顯著差異。對拉伸延展性，孿晶是關鍵貢獻者。孿晶活性與均勻延伸率呈直接正相關。在拉伸過程中，孿晶不僅協調應變，更通過與位錯的強烈交互，持續增強應變硬化能力，推遲頸縮，是實現高延伸的關鍵。對沖擊韌性，其是“錦上添花”，并非“雪中送炭”。在-196°C的動態沖擊測試中，即使孿晶活動被顯著抑制，材料仍可表現出優異的沖擊韌性。這表明，高韌性并不必然依賴大量孿晶，存在其他有效的韌化路徑。

機制揭秘：孿晶缺席，韌性從何而來？

當孿晶被抑制，材料如何抵御沖擊？微觀組織分析給出了答案。在高孿晶材料中，韌性主要源于孿晶界對裂紋擴展的阻礙及對變形的協調。而在孿晶受抑材料中，高位錯密度、復雜的位錯胞結構及微帶等基于滑移的機制被充分激活。它們同樣能有效容納塑性應變、耗散能量、阻礙剪切帶，為動態韌性提供了替代保障。

這項工作澄清了傳統認知，明確了孿晶對“靜載延性”與“動載韌性”的不同必要性，打破了“高韌性必先高孿晶”的思維定式。指出通過調控層錯能，可智能“切換”孿生與滑移的主導權，為高性能合金設計提供新策略。這啟示我們能夠根據構件的主要受力狀態（靜態或動態），定制化地設計合金，從而更精準、高效地開發適應復雜環境的新材料，為破解強度-韌性權衡困境提供了新思路。

相關研究成果以題為“Mechanical twinning: Critical role in tensile ductility and limited influence on impact toughness of high Mn steels”發表在金屬材料領域期刊Scripta Materialia上。

論文鏈接：10.1016/j.scriptamat.2026.117414

論文第一作者/通訊作者：陳俊教授，博士生導師，遼寧省優秀青年基金獲得者、沈陽市領軍人才。主要研究領域為鋼鐵材料強韌化原理，包括新一代TMCP條件下熱軋鋼材組織性能調控、超高強塑中錳鋼組織調控、高錳奧氏體鋼超低溫強韌化機制、強塑協同調控基礎等。相關工藝技術應用于國內大型鋼鐵企業，如6.5Ni鋼應用于國內第一臺低溫儲罐建造、高錳鋼應用國內第一臺LNG示范罐建造等。主持國家/省部級項目10余項，橫向科研項目10余項。參編出版學術著作4部，授權發明專利14項，制定國家標準1項。獲遼寧省科技進步一等獎1項、北京市科技進步一等獎1項、個人獲得教育部學術新人獎1項、榮程祥青科研創新二等獎等。在國內高水平期刊發表SCI論文60余篇，其中第一作者論文30余篇，H因子21。

論文通訊作者：盧松芬蘭國家技術研究中心高級科學家。先后獲中科院金屬所碩士學位，瑞典皇家理工學院博士學位。曾任瑞典皇家理工研究員，兼任Thermo-Calc公司研究員。主要研究領域為第一性原理計算，機器學習輔助材料缺陷與力學性能預測。已在國際學術刊物上發表了70余篇研究論文，包括Acta Mater、PNAS Nexus、PRB等，負責芬蘭自然科學基金會，瑞典戰略基金會、瑞典鋼鐵協會等多個科研項目，擔任瑞典戰略基金會等項目評審委員會委員。

論文通訊作者：侯自勇重慶大學材料學院副教授，重慶英才C類（海外高層次），曾任KTH高級研究員、日本東北大學JSPS研究員。從事高性能金屬結構材料組織表征和合金設計的研究，致力于發展基于遠平衡態跨尺度組織條件下集成計算材料設計方法。在國際期刊Science、Acta Mater等共發表60余篇研究論文，獲Acta＆Scripta Materilia 杰出審稿人獎。主持國家重點研發計劃重點專項（課題）、國家外專局高端人才引進項目、國家自然科學基金面上項目、重慶市留學人員回國創新創業項目（重點項目）、某央企橫向等20余項；指導學生榮獲省部級研究型創新項目7項、獲全國大學生互聯網+創新創意大賽優秀指導教師等；擔任《Journal of Materials Informatics》、《Materials Research Letters》、《Tungsten》、《鋼鐵研究學報》(中、英文版)、《材料科學與工藝》、《有色金屬科學與工程》等期刊青年編委；擔任省部級科技獎勵評審專家、中國機械工程學會熱處理分會青年委員、中國金屬學會軋鋼分會委員等。

圖1變形組織演變與性能變化趨勢示意圖

圖2室溫與-196oC拉伸和沖擊性能變化規律

圖3典型拉伸變形組織特征

圖4典型沖擊變形組織特征

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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