低碳钢的屈服现象（Yield Point Phenomenon, YPP）及吕德斯带（Lüders带）的形成，是工业板材冷加工过程中长期存在的塑性不稳定问题。在应力—应变曲线中，它表现为明显的上屈服点和屈服平台，并常伴随表面滑移痕迹或边裂，大大限制了薄板在汽车、家电等领域的成形质量。传统的抑制方法多依赖降低材料中可移动的间隙原子含量，但这种策略涉及成分调整，局限性较强。因此，研究者逐渐将目光转向“微结构空间异质化”这一更具加工灵活性的设计思路。然而，目前关于异质结构如何影响Lüders带的起源、传播及最终消失的机制仍不完全清晰，这正是该研究所试图解决的核心科学问题。

2025年11月加拿大维多利亚大学联合麦克马斯特大学与澳大利亚莫纳什大学在国际期刊《Scripta Materialia》在线发表了题为“On the effect of microstructural heterogeneity on yield point phenomena in architectured steel: Revealed by in-situ micro-digital image correlation (μDIC)”的研究论文，在该研究中，团队探讨了微结构异质性在抑制Lüders带形成中的作用，并且论文中提出的异质结构工程方法为调整铁素体钢的变形行为提供了一种可行的替代策略。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2025.117102

【核心内容】

本研究以建筑用钢为研究对象，通过对脱碳、大变形冷轧以及再结晶热处理的组合加工手段，构筑出具有“钻石形”空间图案的异质微结构，并制备出两类具有不同强度差异的建筑化钢样品。研究团队系统地利用宏观拉伸、光学DIC、原位SEM微拉伸与μDIC等多尺度手段，直接观测了Lüders带的产生、前沿传播和中止行为，并提出了一套简单而有效的现象学模型。研究明确指出，当材料内部的局部强度差异超过Lüders带前沿的应力集中时，塑性波前无法保持连续传播，进而被异步屈服区打断，从而完全抑制屈服平台。该机制为不改变成分条件下的“加工结构控制”提供了新的理论依据。

图形摘要

【研究方法】

研究采用了“成分梯度+塑性变形+局部再结晶”的结构架构策略。材料首先在1075 ℃的CO/CO2气氛中退碳，构建出表层低碳、核心高碳的强度梯度。随后通过冷轧引入等效应变约1.4的强烈塑性变形，使高碳区域内部出现大量交织的剪切带。之后，通过600 ℃或650 ℃的受控退火，使剪切带区域优先生核并部分或完全再结晶，最终形成具有可调强度差异的异质结构。此外，通过ASTM E8宏观拉伸联合光学DIC表征宏观变形字段变化，再利用微拉伸夹具在SEM中对局部区域进行逐步加载，并通过μDIC捕捉微米尺度的应变分布，为分析Lüders带传播提供了前所未有的空间解析度。

【研究成果】

① 微结构构建与异质性程度确认

冷轧诱发的剪切带成为局部再结晶的优先区域，形成典型的“钻石形”微结构图案，在600 ℃退火的样品，局部再结晶区与未再结晶区的差异造成显著的局部强度差异，而在650 ℃完全再结晶的样品中，细晶区和粗晶区交替分布，虽然仍具有异质性，但强度差异明显较弱，贯穿厚度方向的硬度分布也表明结构中仍保留一定的强度梯度。

异质结构钢的制备工艺与微观结构表征总结

② 异质性越强，越容易消除屈服平台

在异质性较弱的650 ℃退火样品中，拉伸曲线呈现典型的屈服现象，屈服平台约5%，DIC应变图清晰显示Lüders带以稳定前沿的方式贯穿整个试样，而在具有异质性更强的600 ℃退火样品中，拉伸曲线不再出现屈服平台，整体呈连续应变硬化特征，DIC显示材料不同区域在不同应变水平下开始独立屈服，这表明强异质性带来的强度差异足以让弱区提前屈服，从而阻断Lüders带的连续传播。

光学DIC辅助的ASTM亚尺寸拉伸试验结果

③ 原位μDIC捕捉异步屈服的微尺度证据

对于650 ℃完全再结晶样品，μDIC清楚捕捉到塑性波前的形成及向外扩展，局部应变集中区具有明确的空间连续性，这与典型Lüders带传播行为一致，相比之下，600 ℃部分再结晶样品呈现复杂的应变分布，多个局部应变热点在不同加载步中逐渐出现，并彼此独立演化，而非沿某一单一波前推进，这说明微结构的强度差异使得多个微区提前屈服，从而破坏了Lüders波前的空间连贯性。

SEM内原位微拉伸试验与μDIC应变分布

④ 当内部强度差异超过应力集中，Lüders带将被打断

对于微结构均匀、强度分布窄的材料，塑性波前可以依赖应力集中（Δσ）不断推动前端区域先行屈服，实现连续传播，然而，当材料内部存在足够大的强度差异时，弱区的屈服应力σᵧmin明显低于平均屈服应力σ̃ᵧ，使得弱区在波前抵达前就提前屈服，从而切断波前的空间连续性，这一条件可简化为：

即当异质性带来的强度落差大于Lüders波前的应力集中时，Lüders带将无法维持连贯传播。

Lüders带传播与屈服机制的竞争模型示意图

【总结与展望】

该研究从微结构空间异质化的视角系统揭示了建筑钢中屈服现象被抑制的机制，这一机制不仅适用于低碳钢，也对其他尺度结构系统中抑制机械失稳行为具有普适意义，对于汽车用钢、深冲钢以及其他对成形稳定性要求极高的工业材料而言提供了具有重大潜力的加工结构设计方案。