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北航《Acta Materialia》：優(yōu)異的強(qiáng)塑匹配！納米結(jié)構(gòu)奧氏體不銹鋼

2022-01-13 11:54:44 作者：材料科學(xué)與工程來源：材料科學(xué)與工程分享至：

晶粒細(xì)化至超細(xì)晶（d＜1μm）甚至納米晶（d＜100nm）尺度是在不改變合金成分的前提下，大幅提升金屬材料強(qiáng)度的重要途徑。特別是對(duì)于316 型奧氏體不銹鋼這類廣泛應(yīng)用于汽車、建筑和核工業(yè)等領(lǐng)域，需要同時(shí)兼具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗腐蝕性的材料，晶粒細(xì)化能在顯著提高強(qiáng)度的同時(shí)，避免其他強(qiáng)化方法如第二相強(qiáng)化對(duì)抗腐蝕性可能造成的不良影響。然而，較高的屈服強(qiáng)度及有限的加工硬化能力通常會(huì)導(dǎo)致納米結(jié)構(gòu)材料的塑性失穩(wěn)；此外，在制備塊體納米結(jié)構(gòu)材料的過程中，往往會(huì)引入大量的位錯(cuò)等缺陷，這會(huì)進(jìn)一步降低材料的加工硬化能力，從而降低其均勻延伸率，限制其工程應(yīng)用。因此，如何實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)塑性匹配性，一直是結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問題。

獲得具有低位錯(cuò)密度的均質(zhì)納米結(jié)構(gòu)材料是實(shí)現(xiàn)良好強(qiáng)塑性匹配性的一條可能途徑。一方面，在回復(fù)或再結(jié)晶的納米結(jié)構(gòu)材料中，會(huì)出現(xiàn)一些新型強(qiáng)化機(jī)制，進(jìn)一步提高強(qiáng)度；另一方面，低位錯(cuò)密度的初始狀態(tài)可為工程應(yīng)用過程中塑性變形時(shí)的位錯(cuò)滑移及積累留出充足的空間，從而提高材料的加工硬化能力及均勻延伸率。

近日，北京航空航天大學(xué)、日本京都大學(xué)、天津大學(xué)的研究人員合作，采用劇烈塑性變形及精細(xì)熱處理技術(shù)對(duì)316LN奧氏體不銹鋼的晶粒尺寸進(jìn)行了系統(tǒng)的調(diào)控，力學(xué)性能測(cè)試表明納米晶樣品呈現(xiàn)顯著的退火硬化效應(yīng)，而完全再結(jié)晶超細(xì)晶樣品則兼具優(yōu)異的強(qiáng)度和塑性，進(jìn)一步的電子顯微觀察和中子衍射分析表明位錯(cuò)密度是調(diào)控納米晶/超細(xì)晶樣品力學(xué)性能的關(guān)鍵。相關(guān)論文以題為“Achieving excellent mechanical properties in type 316 stainless steel by tailoring grain size in homogeneously recovered or recrystallized nanostructures”發(fā)表在Acta Materialia上。劉茂文博士為論文第一作者，鄭瑞曉副教授和Nobuhiro TSUJI教授為共同通訊作者。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.117629

該研究通過對(duì)316不銹鋼進(jìn)行高壓扭轉(zhuǎn)變形（HPT）及適當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚恚晒χ苽涑鼍哂械臀诲e(cuò)密度的均質(zhì)納米結(jié)構(gòu)316不銹鋼，平均晶粒尺寸分布在 46 nm 至2.54μm范圍內(nèi)。其中，等軸納米晶的晶粒尺寸低至46nm（圖1），完全再結(jié)晶超細(xì)晶的晶粒尺寸低至0.38 μm（圖2）。由于材料的平均晶粒尺寸覆蓋了整個(gè)納米晶及超細(xì)晶區(qū)域，這為調(diào)整其力學(xué)性能、滿足不同的工程應(yīng)用需求提供了極大的自由度。研究表明，當(dāng)回復(fù)態(tài)晶粒尺寸達(dá)到最小值46 nm時(shí)，屈服強(qiáng)度高達(dá)2.34GPa；當(dāng)完全再結(jié)晶晶粒尺寸達(dá)到最小值0.38 μm時(shí)，材料具有優(yōu)異的強(qiáng)塑性匹配性，屈服強(qiáng)度達(dá)900 MPa，均勻延伸率達(dá)27%，如圖3所示。

圖1.退火態(tài)等軸納米晶（d=46 nm）樣品的微觀組織

圖2完全再結(jié)晶樣品的微觀組織

圖3不同晶粒尺寸樣品的拉伸曲線及與文獻(xiàn)中316不銹鋼的性能對(duì)比

文中的高屈服強(qiáng)度主要由細(xì)晶強(qiáng)化及位錯(cuò)源強(qiáng)化引起。材料的屈服起源于大量位錯(cuò)的滑移，而回復(fù)或再結(jié)晶的納米結(jié)構(gòu)材料晶粒內(nèi)具有極低的位錯(cuò)密度，因此在變形初期需要額外的應(yīng)力來激發(fā)位錯(cuò)的萌生；此外，退火后的晶界處于較低的能量狀態(tài)，增大了位錯(cuò)萌生所需的應(yīng)力，從而導(dǎo)致位錯(cuò)源強(qiáng)化。這一強(qiáng)化效果隨晶粒尺寸的減小而增大，如圖4所示。在納米晶范疇內(nèi)，回復(fù)態(tài)材料的位錯(cuò)源強(qiáng)化甚至可能超過變形態(tài)（HPT態(tài)）材料的位錯(cuò)強(qiáng)化，從而導(dǎo)致退火硬化現(xiàn)象，文中所報(bào)導(dǎo)的最高屈服強(qiáng)度2.34 GPa即來源于此。此外，論文通過系統(tǒng)的電鏡觀察和中子衍射分析進(jìn)一步證明了該退火硬化現(xiàn)象只由納米材料晶粒內(nèi)的位錯(cuò)匱乏引起（圖5），并非由第二相強(qiáng)化或溶質(zhì)原子在晶界偏聚所導(dǎo)致。

圖4（a） 316不銹鋼的Hall-Petch關(guān)系及（b）粗晶至超細(xì)晶區(qū)的放大圖

圖5不同變形及熱處理狀態(tài)樣品的中子衍射圖譜及其擬合結(jié)果

完全再結(jié)晶超細(xì)晶樣品的高均勻延伸率則來源于晶界上多種變形模式的激活。一方面，低位錯(cuò)密度的初始狀態(tài)及小晶粒尺寸導(dǎo)致晶內(nèi)缺乏位錯(cuò)源，變形模式難以在晶內(nèi)激活；另一方面，在完全再結(jié)晶狀態(tài)的超細(xì)晶中，高應(yīng)力集中于晶界上，易于激活各種變形模式。316不銹鋼具有較低的層錯(cuò)能，在加載過程中大量層錯(cuò)及孿晶從晶界上萌生，并與位錯(cuò)相互作用，可維持高加工硬化率，從而提高均勻延伸率（圖6）。