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.

Ferritic–martensitic dual phase (DP) steels deform spatially in a highly heterogeneous manner, i.e. with strong strain and stress partitioning at the micro-scale. Such heterogeneity in local strain evolution leads in turn to a spatially heterogeneous damage distribution, and thus, plays an important role in the process of damage inheritance and fracture. To understand and improve DP steels, it is important to identify connections between the observed strain and damage heterogeneity and the underlying microstructural parameters, e.g. ferrite grain size, martensite distribution, martensite fraction, etc. In this work we pursue this aim by conducting in-situ deformation experiments on two different DP steel grades, employing two different microscopic-digital image correlation (μDIC) techniques to achieve microstructural strain maps of representative statistics and high-resolution. The resulting local strain maps are analyzed in connection to the observed damage incidents (identified by image post-processing) and to local stress maps (obtained from crystal plasticity (CP) simulations of the same microstructural area). The results reveal that plasticity is typically initiated within “hot zones” with larger ferritic grains and lower local martensite fraction. With increasing global deformation, damage incidents are most often observed in the boundary of such highly plastified zones. High-resolution μDIC and the corresponding CP simulations reveal the importance of martensite dispersion: zones with bulky martensite are more susceptible to macroscopic localization before the full strain hardening capacity of the material is consumed. Overall, the presented joint analysis establishes an integrated computational materials engineering (ICME) approach for designing advanced DP steels.

Significance Back stress hardening is usually not obvious in single-phase homogeneous grains, but can be made unusually large and sustained to large tensile strains by creating an unusually heterogeneous grain structure in single-phase alloys with low stacking fault energy (SFE), as demonstrated here for the face-centered cubic CrCoNi medium-entropy alloy. The low SFE facilitates the generation of twinned nanograins and stacking faults during tensile straining, dynamically reinforcing the heterogeneity. Large uniform tensile strain can be achieved after yielding even at gigapascal stress, in the absence of heterogeneities from any second phase.

The mechanical response of multiphase alloys is governed by the microscopic strain and stress partitioning behavior among microstructural constituents. However, due to limitations in the characterization of the partitioning that takes place at the submicron scale, microstructure optimization of such alloys is typically based on evaluating the averaged response, referring to, for example, macroscopic stress–strain curves. Here, a novel experimental–numerical methodology is introduced to strengthen the integrated understanding of the microstructure and mechanical properties of these alloys, enabling joint analyses of deformation-induced evolution of the microstructure, and the strain and stress distribution therein, down to submicron resolution. From the experiments, deformation-induced evolution of (i) the microstructure, and (ii) the local strain distribution are concurrently captured, employing in situ secondary electron imaging and electron backscatter diffraction (EBSD) (for the former), and microscopic-digital image correlation (for the latter). From the simulations, local strain as well as stress distributions are revealed, through 2-D full-field crystal plasticity (CP) simulations conducted with an advanced spectral solver suitable for heterogeneous materials. The simulated model is designed directly from the initial EBSD measurements, and the phase properties are obtained by additional inverse CP simulations of nanoindentation experiments carried out on the original microstructure. The experiments and simulations demonstrate good correlation in the proof-of-principle study conducted here on a martensite–ferrite dual-phase steel, and deviations are discussed in terms of limitations of the techniques involved. Overall, the presented integrated computational materials engineering approach provides a vast amount of well-correlated structural and mechanical data that enhance our understanding as well as the design capabilities of multiphase alloys.