Dual-phase (DP) steel is the flagship of advanced high-strength steels, which were the first among various candidate alloy systems to find application in weight-reduced automotive components. On the one hand, this is a metallurgical success story: Lean alloying and simple thermomechanical treatment enable use of less material to accomplish more performance while complying with demanding environmental and economic constraints. On the other hand, the enormous literature on DP steels demonstrates the immense complexity of microstructure physics in multiphase alloys: Roughly 50 years after the first reports on ferrite-martensite steels, there are still various open scientific questions. Fortunately, the last decades witnessed enormous advances in the development of enabling experimental and simulation techniques, significantly improving the understanding of DP steels. This review provides a detailed account of these improvements, focusing specifically on (a) microstructure evolution during processing, (b) experimental characterization of micromechanical behavior, and (c) the simulation of mechanical behavior, to highlight the critical unresolved issues and to guide future research efforts.

Hydrogen embrittlement affects high-strength ferrite/martensite dual-phase (DP) steels. The associated micromechanisms which lead to failure have not been fully clarified yet. Here we present a quantitative micromechanical analysis of the microstructural damage phenomena in a model DP steel in the presence of hydrogen. A high-resolution scanning electron microscopy-based damage quantification technique has been employed to identify strain regimes where damage nucleation and damage growth take place, both with and without hydrogen precharging. The mechanisms corresponding to these regimes have been investigated by employing post-mortem electron channeling contrast imaging and electron backscatter diffraction analyses, as well as additional in situ deformation experiments. The results reveal that damage nucleation mechanism (i.e. martensite decohesion) and the damage growth mechanisms (e.g. interface decohesion) are both promoted by hydrogen, while the crack-arresting capability of the ferrite is significantly reduced. The observations are discussed on the basis of the hydrogen-enhanced decohesion and hydrogen-enhanced localized plasticity mechanisms. We discuss corresponding microstructure design strategies for better hydrogen-related damage tolerance of DP steels.

Fatigue failures create enormous risks for all engineered structures, as well as for human lives, motivating large safety factors in design and, thus, inefficient use of resources. Inspired by the excellent fracture toughness of bone, we explored the fatigue resistance in metastability-assisted multiphase steels. We show here that when steel microstructures are hierarchical and laminated, similar to the substructure of bone, superior crack resistance can be realized. Our results reveal that tuning the interface structure, distribution, and phase stability to simultaneously activate multiple micromechanisms that resist crack propagation is key for the observed leap in mechanical response. The exceptional properties enabled by this strategy provide guidance for all fatigue-resistant alloy design efforts.

This study investigated the effect of cyclic heat treatment on the resistance of tempered martensitic steels to hydrogen embrittlement. The cyclic heat treatment not only refined the prior austenite grain sizes from approximately 30 to 5 μm but also reduced the initial dislocation density. The change in microstructure by the cyclic heat treatment did not result in obvious differences in the mechanical properties compared with those of simple quenched and tempered steel when hydrogen was not introduced into the specimens. Hydrogen charging caused intergranular and quasi-cleavage cracking, and both cracking modes were restricted by cyclic heat treatment. An important feature observed in the steel subjected to cyclic heat treatment was frequent crack deflection and crack tip blunting, which occurred at block and prior austenite grain boundaries (triple junctions). Therefore, grain refinement increased the probability of crack deflection and crack tip blunting. In addition, the relatively low dislocation density in cyclically heat-treated steel is believed to contribute to the suppression of plasticity-related damage nucleation, which is critically important for quasi-cleavage cracking.