高强钢是一种不可替代的重要金属材料，具有优异的强度和塑性、较高的刚度、良好的焊接性和耐腐蚀性等优异性能，在航空、航天、海洋、核工业等众多领域被广泛应用^[1–5]。为了满足高端装备生产对高性能不锈钢的需求，近些年来，研究人员致力于提升高强钢的强度，以提高材料的比强度，从而实现结构的轻量化设计。自20世纪40年代，高强钢的发展经历了第1代半奥氏体沉淀硬化不锈钢（如17-4PH 钢）、第2代马氏体沉淀硬化不锈钢（如Ultrafort 401钢）以及第3代二次硬化型高强度不锈钢（如Ferrium S53钢）^[6–7]。其中，Ultrafort 401钢是20世纪70年代由德国研制的一种通过金属间化合物强化的高强度钢材料^[7]。研究表明，随着应变率由3.3×10⁻³ s⁻¹升高至1.0×10⁴ s⁻¹，经500 ℃回火2 h的Ultrafort 401钢的屈服强度从1356 MPa增大至1906 MPa，表明通过一定的回火工艺可进一步提高材料的压缩性能^[8]。Ferrium S53钢是由美国于2002年开发的第3代高强钢，其碳含量达到0.21%，通过碳化物的强化作用，其强度相对于第2代高强钢显著提高^[9–11]。适当的低温处理不仅可以抑制Ferrium S53钢内逆转奥氏体的产生，还可以细化马氏体层片结构和M₂C沉淀物，进而提升Ferrium S53钢的力学性能^[12]；合适的固溶处理可以通过溶解次级相来提高Ferrium S53钢的拉伸强度和塑性匹配^[13]。然而，尽管高强钢的强度已显著提升，但是针对Ultrafort 401和Ferrium S53钢在不同应变率下的拉伸性能研究仍相对较少，且不同应变率下其力学性能和变形机制的差异尚未明确。

应变率是影响材料性能的重要因素之一。材料在不同应变率下的表现对于其实际应用至关重要，尤其是高强钢这种关键工程结构材料。室温拉伸试验是评估材料强度和塑性的基本手段，可提供屈服强度、抗拉强度和弹性模量等关键材料特性，通过改变拉伸速率，还可以获得不同应变率下材料性能的变化趋势^[14–15]。研究表明，随着应变率的升高，大部分材料的强度（包括屈服强度和抗拉强度）会升高^[16–18]，但也有材料的强度随之降低^[19–23]，说明不同材料在不同应变率下的拉伸性能变化规律存在差异。

本工作将针对Ultrafort 401和Ferrium S53钢开展不同应变率下的拉伸试验，研究其在不同变形条件下的力学行为，结合断口分析，深入对比2种钢的力学性能和组织变化特征，以期揭示不同应变率下2种钢材料的拉伸性能及其微观机理。

1.   实验材料与方法

1.1   实验样品

本研究所用的高强钢材料为商用Ferrium S53和Ultrafort 401钢。2种高强钢均通过真空感应熔炼工艺制造，并在1100 ℃下进行热锻处理，保温2 h后开坯冷却修整，随后继续加热烧透热锻。2种高强钢材料的成分如表1所示。

表  1  Ferrium S53和Ultrafort 401钢的元素组成

Table  1.  Elemental composition of Ferrium S53 and Ultrafort 401 steels

Material	Mass fraction/%
	C	Cr	Ni	Ti	Mo	Co	Fe
Ferrium S53 steel	0.21	9.00	4.80	0.02	1.50	13.00	71.47
Ultrafort 401 steel	0.02	12.00	8.20	0.80	2.00	5.30	71.68

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1.2   实验方法

在10⁻⁴、10⁻³、10⁻²、7×10⁻²、10、10³ s⁻¹共6种不同的应变率下，采用标准GB/T 228.1—2021《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》，对Ferrium S53和Ultrafort 401钢进行拉伸性能测试，所有拉伸试验均重复3次，然后取平均值。

采用UTM5202SYXL万能试验机（三思纵横）进行准静态下（应变率$\dot{\varepsilon }$<10⁻¹ s⁻¹）的拉伸测试。该试验机可施加最高达200 kN的轴向力，并配备油压楔形夹具和引伸计，其中引伸计的标距为50 mm。采用Instron VHS160/100-20型高速拉伸试验机进行动态拉伸（$\dot{\varepsilon }$为10和10³ s⁻¹）测试，其最高轴向力可达200 kN，最大拉伸速率可达17 m/s。将2种锻造后的钢样品加工为狗骨头状平板试样，2种试验机对应的拉伸试样尺寸如图1所示，其中：准静态和动态拉伸试样的厚度分别为1.57和1.00 mm。

图  1  拉伸试样示意图

Figure  1.  Schematic diagram of the specimens used for tensile tests

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1.3   分析方法

采用配备电子背散射衍射（electron back scatter diffraction，EBSD）系统的Tescan Maia 3型扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）对2种高强钢试样进行拉伸前的微观结构表征。在表征过程中，保持相同的扫描步长（400 nm），使用AZtec 2.4软件进行数据采集，并通过HKL Channel 5软件分析处理后续数据。采用软件中的Tango模块获取试样的晶界分布等信息，并通过Grain Area Determination功能测定试样的平均晶粒大小；利用Mambo模块中的Rot.Axes in Crystal功能，通过特定角度取向差点判断晶界的数量。完成拉伸试验后，选用Zeiss Ultra 55型场发射电子显微镜，对试样断口形貌进行分析。

2.   实验结果与分析

2.1   原始微结构

通过EBSD表征2种高强钢在拉伸前的微观结构，结果如图2所示，其中：图2(a)和图2(b)分别为Ferrium S53钢的反极图和晶界图，图2(c)和图2(d)分别为Ultrafort 401钢的反极图和晶界图。可以发现，2种材料均具有高密度的小角度晶界（low angle grain boundaries，LAGBs，对应图2(b)和图2(d)中的绿线）和高角度晶界（high angle grain boundaries，HAGBs，对应图2(b)和图2(d)中的黑线）。经统计，Ferrium S53钢内的晶界（取向差大于2°）像素点数为133049，而Ultrafort 401钢仅有109103，说明两者的晶界密度存在差异。根据图2(e)所示的晶界取向差角分布，Ferrium S53钢中HAGBs的占比为54.85%，而Ultrafort 401钢的HAGBs占比明显小于Ferrium S53钢，仅为39.43%。此外，Ferrium S53钢的平均取向差角也显著小于Ultrafort 401钢。由于更高的平均取向差角反映材料内部含有更多的HAGBs，因此，Ferrium S53钢内具有密度更高的HAGBs^​[24–26]。2种高强钢的晶粒尺寸分布如图2(f)所示。Ferrium S53钢和Ultrafort 401钢的平均晶粒尺寸分别为5.69和7.31 μm，进一步说明Ferrium S53钢的初始微结构具有更小的晶粒尺寸和更高的HAGBs含量。

图  2  初始态Ferrium S53和Ultrafort 401钢的反极图、晶界图、取向差角直方图和晶粒尺寸直方图

Figure  2.  Inverse pole figure (IPF), grain boundary diagrams, the distribution of misorientation angle and grain size of Ferrium S53 and Ultrafort 401 steel samples before deformation

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2.2   拉伸性能分析

通过拉伸试验得到2种高强钢的工程应力-应变曲线，如图3所示。在不同的应变率下，2种高强钢的应力-应变曲线均发生了变化。随着应变率的升高，两者的强度表现出不同的变化趋势：Ferrium S53钢的抗拉强度先减小后增大，而Ultrafort 401钢的抗拉强度则一直增大。

图  3  不同应变率下Ferrium S53和Ultrafort 401钢的工程应力-应变曲线

Figure  3.  Engineering stress-strain curves at different strain rates for Ferrium S53 and Ultrafort 401 steels

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为了进一步确认应变率对2种高强钢力学性能的影响，统计了不同应变率下材料的抗拉强度、屈服强度、均匀延伸率、屈强比、应变硬化指数（n），如表2所示。

表  2  Ferrium S53和Ultrafort 401钢在不同应变率下的力学性能参量

Table  2.  Mechanical parameters of Ferrium S53 and Ultrafort 401 steels at different strain rates

Material	$\dot{\varepsilon }$/s−1	Tensile strength/MPa	Yield strength/MPa	Uniform elongation/%	Yield ratio	Hardening index
Ferrium S53 steel	10−4	1920.58	900.75	7.43	0.47	0.38
	10−3	1907.41	908.91	7.25	0.48	0.33
	10−2	1895.57	910.44	7.36	0.48	0.30
	7×10−2	1821.34	918.18	7.64	0.50	0.25
	10	1956.13	1145.16	8.13	0.59	0.41
	103	2069.75	1333.62	9.47	0.64	0.46
Ultrafort 401 steel	10−4	944.68	711.59	2.78	0.75	0.13
	10−3	945.57	724.65	2.74	0.77	0.14
	10−2	953.93	759.52	2.81	0.80	0.15
	7×10−2	967.97	777.67	3.24	0.80	0.17
	10	1013.09	853.76	2.99	0.84	0.25
	103	1106.12	958.74	2.93	0.87	0.35

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首先，分析抗拉强度和屈服强度随应变率的变化，如图4所示。从图4可以看出，2种高强钢的屈服强度均随着应变率的升高而增大，这与高应变率下位错运动机制的改变有关：随着应变率的增大，位错运动速度提高，相应的阻力也随之增大，致使位错更难发生移动，进而导致屈服强度增大^[27]。然而，抗拉强度却表现出不同的变化趋势。当应变率从10⁻⁴ s⁻¹提高至7×10⁻² s⁻¹时，Ferrium S53钢的抗拉强度由1920.58 MPa减小至1821.34 MPa；进一步提高应变率后，抗拉强度反而增大；当应变率为10³ s⁻¹时，抗拉强度达到2069.75 MPa。Ultrafort 401钢的抗拉强度则随着应变率的升高始终增大，由10⁻⁴ s⁻¹时的944.68 MPa持续增大至10³ s⁻¹时的1106.12 MPa，抗拉强度与应变率正相关^[28]。由于抗拉强度发生在材料屈服之后，且抗拉强度不仅与材料的强化过程有关，还显著依赖于屈服后的应变硬化水平^{[19, 29]}，因此，其变化过程更为复杂，后面将结合硬化程度做进一步分析。

图  4  不同应变率下Ferrium S53和Ultrafort 401钢的屈服强度和抗拉强度

Figure  4.  Tensile and yield strength curves at different strain rates for Ferrium S53 and Ultrafort 401 steels

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2种高强钢的均匀延伸率和屈强比随应变率的变化如图5所示。可以看出，应变率对2种高强钢的均匀延伸率的影响并不明显，其中，Ferrium S53钢的均匀延伸率随应变率的升高而有所增大。对比发现，Ferrium S53钢的均匀延伸率明显高于Ultrafort 401钢，而屈强比低于Ultrafort 401钢。由于屈强比越小，材料的塑性越好，成型能力越强^[30]，因此，在不同应变率下，Ferrium S53钢具有比Ultrafort 401钢更优异的塑性变形能力。

图  5  不同应变率下Ferrium S53和Ultrafort 401钢的均匀延伸率和屈强比

Figure  5.  Uniform elongation and yield ratio curves at different strain rates for Ferrium S53 and Ultrafort 401 steels

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材料经过屈服点后进入塑性变形阶段，在此过程中会出现位错纠缠、位错与晶界相互作用等使材料发生应变硬化现象^[31]。采用Hollomon方程对2种高强钢材料在高应变区的硬化变形行为进行描述，具体公式^[32]如下

式中：σ_r和ε_r分别为真实应力和真实应变；n为应变硬化指数，是评估材料应变硬化能力的重要参数；K为常数。

对2种高强钢材料在高应变段的塑性变形进行拟合，结果如图6所示。随着应变率的升高，Ferrium S53钢的硬化指数先明显下降后回升并持续增长，而Ultrafort 401钢的硬化指数则始终单调增大。由此可知，在准静态下，随着应变率升高，Ferrium S53钢的应变硬化能力减弱；在更高的应变率下，硬化能力又得到增强。Ultrafort 401钢的加工硬化能力则始终呈增强趋势。因此，在准静态下（$\dot{\varepsilon }$<10⁻¹ s⁻¹），随着应变率升高，Ferrium S53钢屈服后强度增量减小，导致抗拉强度降低，而Ultrafort 401钢则相反；当应变率进一步上升后，两者的抗拉强度均增大。该结论与图4(a)所示结果一致。对比之下，Ferrium S53钢的硬化指数整体上依然高于Ultrafort 401钢，说明在不同的应变率下，Ferrium S53钢仍然具有优于Ultrafort 401钢的应变硬化能力。

图  6  不同应变率下Ferrium S53钢和Ultrafort 401钢的硬化指数

Figure  6.  Hardening indexes of Ferrium S53 and Ultrafort 401 steels at different strain rates

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2.3   断口形貌分析

通过SEM对Ferrium S53和Ultrafort 401钢在不同应变率下的断口特征进行分析。如图7和图8所示，在不同的应变率下，Ferrium S53钢的断口处存在大量微米级韧窝，表现出明显的韧性断裂；而Ultrafort 401钢的断口处则呈现拉长的韧窝特征，且分布明显不均，韧窝分布密度也相对较小。由于断口上韧窝的尺寸及密度与断裂吸收能呈正相关，因此，韧窝的尺寸和密度会显著依赖材料的应变硬化能力^[33]。采用线性截距法对所有样品的韧窝进行统计，通过正态分布拟合，得到样品韧窝的平均尺寸（$\overline{d}$），其具体公式^[34]为

图  7  不同应变率下Ferrium S53钢的断口形貌及对应的韧窝尺寸分布

Figure  7.  Fracture morphology and distribution of corresponding dimple size at different strain rates for Ferrium S53 steel

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图  8  不同应变率下Ultrafort 401钢的断口形貌及对应的韧窝尺寸分布

Figure  8.  Fracture morphology and distribution of corresponding dimple size at different strain rates for Ultrafort 401 steels

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式中：s为标准差。为进一步比较不同拉伸应变率下的断裂形貌，定量计算非均匀因子（f_h），以评估韧窝的均匀性，具体计算公式^[35]为

式中：N_g为韧窝的数量，d_i为不同韧窝的尺寸。若f_h越小，则表明韧窝尺寸分布越均匀。图7给出了Ferrium S53钢的形貌、韧窝尺寸及均匀性计算结果。可见，不同应变率下，Ferrium S53钢拉伸试样均呈现出韧性断裂模式，但韧窝尺寸却表现出明显差异。在低应变率（10⁻⁴ s⁻¹）下，Ferrium S53钢的拉伸试样断口具有尺寸均匀且较大的韧窝（见图7(a)），韧窝平均尺寸达到2.13 μm；随着应变率的升高，韧窝尺寸逐渐减小；当应变率为7×10⁻² s⁻¹时，韧窝平均尺寸仅为0.68 μm，且韧窝尺寸分布更不均匀，见图7(d)；然而，随着应变率进一步升高至10～10³ s⁻¹，拉伸试样断口的韧窝尺寸迅速增长，平均韧窝尺寸最终达到7.54 μm，如图7(f)所示。这说明：准静态拉伸时，随着应变率的升高，Ferrium S53钢的塑性功消耗下降，致使应变硬化逐渐降低，表现为韧窝尺寸减小；而随着应变率进一步升高，韧窝尺寸明显增大，应变硬化增大。

图8显示了Ultrafort 401钢在不同应变率下的韧窝特征变化情况。从图8可以看出，当应变率由10⁻⁴ s⁻¹提升至10³ s⁻¹时，Ultrafort 401钢的平均韧窝尺寸由3.22 μm增大到14.56 μm。然而，韧窝均匀性的变化却与平均韧窝尺寸存在较大的差异。准静态拉伸下，随着应变率的增大，Ultrafort 401钢的韧窝均匀性逐渐提高，如图8(a)～图8(d)所示；当应变率进一步升高时，韧窝的整体均匀性反而下降，韧窝尺寸出现较大的差异。由此可见，随着应变率的升高，Ultrafort 401钢的应变硬化能力增强，导致其塑性变形能量消耗逐渐升高，该结果与屈强比（见图5(b)）及应变硬化指数（见图6）随应变率增加的变化规律一致。

2.4   对比分析

为了系统评估不同应变率下高强钢材料的性能，图9汇总了Ferrium S53和Ultrafort 401钢的屈服强度和均匀延伸率随应变率的变化。经过不同应变率的拉伸后，Ferrium S53钢的屈服强度和均匀延伸率始终高于Ultrafort 401钢，说明不同应变率下Ferrium S53钢均具有更优异的强塑性性能。

图  9  不同应变率下2种高强钢的强塑性关系（虚线箭头表示应变率增大方向）

Figure  9.  Relationships of strength-plasticity behavior of two high-strength steels at varying strain rates (The dashed arrows show the direction of increased strain rate)

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高强钢的微观结构对其力学性能具有重要影响。微观结构分析表明，晶粒尺寸越小，材料强度越高。由于变形前Ferrium S53钢的晶粒尺寸更小，晶界密度更高，因此，位错移动产生的阻碍更大^[36–40]，受力时更难发生位错滑移，从而表现出较高的屈服强度。相比之下，Ultrafort 401钢的晶粒尺寸较大，晶界密度相对较低，位错更易滑移，因此，同一应变率下，Ferrium S53钢的屈服强度更高。随着应变率升高，2种高强钢中的位错运动速度均增大，相应的位错移动阻力增大，致使屈服强度均增大。

Ferrium S53和Ultrafort 401钢的抗拉强度变化趋势却不尽相同，这与塑性变形过程中的应变硬化水平有关。随着应变率的升高，Ferrium S53钢的抗拉强度先减小后增大。断口分析表明，在低应变率下，断口上的韧窝尺寸不断减小，变形过程中消耗的塑性功降低，导致应变硬化程度下降。在7×10⁻² s⁻¹的应变率加载下，Ferrium S53钢具有最低的硬化指数（n=0.25）。随着应变率的进一步升高，韧窝尺寸不断增大，应变硬化指数增大，硬化能力的提升进一步改善了材料在高应变率下的力学性能。Ferrium S53钢这种强度随应变率升高而非单调变化趋势与TWIP钢^[41]类似，不同应变率下的微观硬化转变机制有待进一步研究。对于Ultrafort 401钢，其抗拉强度呈现正应变率依赖性，表明其在高应变率下保持了较强的应变硬化能力。应变硬化指数和断口形貌分析表明，相对于Ultrafort 401钢，尽管Ferrium S53钢的应变硬化指数表现出先减后增的变化规律，但始终具有更优异的应变硬化能力，在不同应变率下表现出更理想的强塑性。

3.   结　论

通过EBSD对Ferrium S53和Ultrafort 401钢的初始微观结构进行了表征和分析，利用万能试验机和高速拉伸试验机，对2种高强钢开展了不同应变率下的拉伸试验，结合断口形貌分析，得到如下主要结论。

(1) 随着应变率的升高，Ultrafort 401和Ferrium S53钢的屈服强度均逐渐增大，与高应变率下位错运动阻力的增加有关。因为Ferrium S53钢的初始晶粒尺寸更小，晶界密度更高，所以其屈服强度整体更高。

(2) 随着应变率的升高，Ultrafort 401钢的抗拉强度和应变硬化指数均逐渐增大，而Ferrium S53钢的抗拉强度和应变硬化指数先减小后增大。断口分析表明，随着应变率的升高，Ultrafort 401钢的韧窝尺寸增大，而Ferrium S53钢的韧窝尺寸则先缓慢减小后迅速增大，两者具有不同的应变硬化变化趋势。

(3) 相较于Ultrafort 401钢，Ferrium S53钢在不同应变率下均表现出更高的强度和塑性，与其具有更高的应变硬化能力有关。不同应变率下，Ferrium S53钢均具有更高的应变硬化指数以及更显著的韧性断裂特征。

本研究基于应变率效应，探讨了2种高强钢的力学性能演化规律，证明了在不同应变率下第3代高强钢Ferrium S53比Ultrafort 401钢具有更优异的拉伸性能。然而，Ferrium S53钢的应变硬化随着应变率的升高呈非单调变化趋势。针对不同应变率下的硬化差异，还需进一步聚焦微观机理，深入探究2种高强钢在考虑应变率效应时的微观结构演化，以指导实际工程应用。