重新审视孪晶作用：高锰钢静动态性能提升机制的功能解耦

在高性能结构材料领域，高锰钢因其出色的强度-延展性组合而备受关注。形变孪晶长久以来被视为其实现性能协同的核心机制。然而，随着研究从准静态拉伸拓展到动态冲击，一个根本性问题浮现：孪晶在不同力学性能中扮演的角色是否相同？它是否是实现全面高性能的绝对前提？

针对上述关键科学问题，东北大学、芬兰国家技术研究中心、日本东北大学和重庆大学国际联合团队，通过精巧的合金设计，系统解耦了孪晶的作用。

核心发现：拉伸与冲击，孪晶作用截然不同

研究发现，孪晶在材料不同性能中的贡献具有显著差异。对拉伸延展性，孪晶是关键贡献者。孪晶活性与均匀延伸率呈直接正相关。在拉伸过程中，孪晶不仅协调应变，更通过与位错的强烈交互，持续增强应变硬化能力，推迟颈缩，是实现高延伸的关键。对冲击韧性，其是“锦上添花”，并非“雪中送炭”。在-196°C的动态冲击测试中，即使孪晶活动被显著抑制，材料仍可表现出优异的冲击韧性。这表明，高韧性并不必然依赖大量孪晶，存在其他有效的韧化路径。

机制揭秘：孪晶缺席，韧性从何而来？

当孪晶被抑制，材料如何抵御冲击？微观组织分析给出了答案。在高孪晶材料中，韧性主要源于孪晶界对裂纹扩展的阻碍及对变形的协调。而在孪晶受抑材料中，高位错密度、复杂的位错胞结构及微带等基于滑移的机制被充分激活。它们同样能有效容纳塑性应变、耗散能量、阻碍剪切带，为动态韧性提供了替代保障。

这项工作澄清了传统认知，明确了孪晶对“静载延性”与“动载韧性”的不同必要性，打破了“高韧性必先高孪晶”的思维定式。指出通过调控层错能，可智能“切换”孪生与滑移的主导权，为高性能合金设计提供新策略。这启示我们能够根据构件的主要受力状态（静态或动态），定制化地设计合金，从而更精准、高效地开发适应复杂环境的新材料，为破解强度-韧性权衡困境提供了新思路。

相关研究成果以题为“Mechanical twinning: Critical role in tensile ductility and limited influence on impact toughness of high Mn steels”发表在金属材料领域期刊Scripta Materialia上。

论文链接：10.1016/j.scriptamat.2026.117414

论文第一作者/通讯作者：陈俊教授，博士生导师，辽宁省优秀青年基金获得者、沈阳市领军人才。主要研究领域为钢铁材料强韧化原理，包括新一代TMCP条件下热轧钢材组织性能调控、超高强塑中锰钢组织调控、高锰奥氏体钢超低温强韧化机制、强塑协同调控基础等。相关工艺技术应用于国内大型钢铁企业，如6.5Ni钢应用于国内第一台低温储罐建造、高锰钢应用国内第一台LNG示范罐建造等。主持国家/省部级项目10余项，横向科研项目10余项。参编出版学术著作4部，授权发明专利14项，制定国家标准1项。获辽宁省科技进步一等奖1项、北京市科技进步一等奖1项、个人获得教育部学术新人奖1项、荣程祥青科研创新二等奖等。在国内高水平期刊发表SCI论文60余篇，其中第一作者论文30余篇，H因子21。

论文通讯作者：卢松芬兰国家技术研究中心高级科学家。先后获中科院金属所硕士学位，瑞典皇家理工学院博士学位。曾任瑞典皇家理工研究员，兼任Thermo-Calc公司研究员。主要研究领域为第一性原理计算，机器学习辅助材料缺陷与力学性能预测。已在国际学术刊物上发表了70余篇研究论文，包括Acta Mater、PNAS Nexus、PRB等，负责芬兰自然科学基金会，瑞典战略基金会、瑞典钢铁协会等多个科研项目，担任瑞典战略基金会等项目评审委员会委员。

论文通讯作者：侯自勇重庆大学材料学院副教授，重庆英才C类（海外高层次），曾任KTH高级研究员、日本东北大学JSPS研究员。从事高性能金属结构材料组织表征和合金设计的研究，致力于发展基于远平衡态跨尺度组织条件下集成计算材料设计方法。在国际期刊Science、Acta Mater等共发表60余篇研究论文，获Acta＆Scripta Materilia 杰出审稿人奖。主持国家重点研发计划重点专项（课题）、国家外专局高端人才引进项目、国家自然科学基金面上项目、重庆市留学人员回国创新创业项目（重点项目）、某央企横向等20余项；指导学生荣获省部级研究型创新项目7项、获全国大学生互联网+创新创意大赛优秀指导教师等；担任《Journal of Materials Informatics》、《Materials Research Letters》、《Tungsten》、《钢铁研究学报》(中、英文版)、《材料科学与工艺》、《有色金属科学与工程》等期刊青年编委；担任省部级科技奖励评审专家、中国机械工程学会热处理分会青年委员、中国金属学会轧钢分会委员等。

图1变形组织演变与性能变化趋势示意图

图2室温与-196oC拉伸和冲击性能变化规律

图3典型拉伸变形组织特征

图4典型冲击变形组织特征

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。

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