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東北大學(xué)《Scripta Materialia》：實(shí)現(xiàn)對(duì)奧氏體熱穩(wěn)定性的主動(dòng)調(diào)控！

2022-10-24 13:49:29 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

目前先進(jìn)高強(qiáng)鋼（AHSS）的強(qiáng)韌化設(shè)計(jì)主要是通過調(diào)控亞穩(wěn)奧氏體的穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)，其調(diào)控方式主要包括合金成分、晶粒尺寸和奧氏體形貌等。預(yù)應(yīng)變作為材料成型過程中必不可少的階段，其對(duì)奧氏體熱穩(wěn)定性的影響更為復(fù)雜。眾所周知，奧氏體的大幅變形會(huì)導(dǎo)致馬氏體轉(zhuǎn)變的起始溫度(Ms)點(diǎn)降低，使其不利于馬氏體轉(zhuǎn)變，這被稱為奧氏體的機(jī)械穩(wěn)定化。研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)小預(yù)變形能升高M(jìn)s促進(jìn)馬氏體轉(zhuǎn)變，并表明奧氏體失穩(wěn)來源于預(yù)應(yīng)變引入的更多馬氏體形核質(zhì)點(diǎn)。然而，目前對(duì)預(yù)應(yīng)變作用下奧氏體熱穩(wěn)定性的轉(zhuǎn)變機(jī)制尚未做出明確解釋，這對(duì)利用成型預(yù)應(yīng)變對(duì)奧氏體熱穩(wěn)定性的主動(dòng)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)低溫應(yīng)用AHSS的組織調(diào)整尤其重要。因此，明確其中的物理轉(zhuǎn)變機(jī)制將更有利于設(shè)計(jì)可以經(jīng)受預(yù)應(yīng)變的熱穩(wěn)定性用鋼。

東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室徐偉教授團(tuán)隊(duì)利用原位磁場檢測與詳細(xì)的微觀實(shí)驗(yàn)從形核與長大的角度揭示了預(yù)應(yīng)變作用下亞穩(wěn)奧氏體由機(jī)械失穩(wěn)到穩(wěn)定的轉(zhuǎn)變機(jī)制。相關(guān)論文“Transitions in the thermal stability of pre-strained austenite – competing effects between defect density and slip band spacing”于近期發(fā)表在Scripta Materialia上。文章通訊作者為徐偉教授與王靈禺博士后，第一作者為博士研究生董廣起。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2022.115077

塑性應(yīng)變能在奧氏體晶粒內(nèi)部引入大量缺陷為馬氏體相變提供形核質(zhì)點(diǎn)，因此影響到奧氏體穩(wěn)定性。研究學(xué)者表明低預(yù)應(yīng)變降低奧氏體熱穩(wěn)定性，這正是由于預(yù)應(yīng)變引入的缺陷為馬氏體相變提供了形核位點(diǎn)，而高預(yù)應(yīng)變將會(huì)摧毀馬氏體的形核質(zhì)點(diǎn)，使其熱穩(wěn)定性增加。因此，預(yù)應(yīng)變作用下奧氏體的熱穩(wěn)定性轉(zhuǎn)變依賴于預(yù)應(yīng)變引入的缺陷。本文分別從宏觀與微觀角度探究了預(yù)應(yīng)變下奧氏體內(nèi)部的缺陷演變規(guī)律，結(jié)果表明缺陷密度與滑移帶數(shù)量和應(yīng)變量呈正相關(guān)（圖1），但滑移帶間距與應(yīng)變量呈負(fù)相關(guān)（圖2）。

圖1：預(yù)應(yīng)變?cè)嚇拥膹?qiáng)度與缺陷演變。(a)真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線；(b)XRD圖譜；(c)(200)奧氏體峰演變；(d)奧氏體位錯(cuò)密度-預(yù)應(yīng)變曲線。

圖2.(a-e)通過ECCI表征的微觀亞結(jié)構(gòu)演變；(f)滑移帶間距的小提琴統(tǒng)計(jì)圖。

在探究了預(yù)應(yīng)變下微觀亞結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律后，文章進(jìn)一步從Ms和最終馬氏體轉(zhuǎn)變量的角度探究了導(dǎo)致奧氏體熱穩(wěn)定轉(zhuǎn)變的主要根源。預(yù)應(yīng)變總是導(dǎo)致奧氏體失穩(wěn)，并且較高預(yù)應(yīng)變導(dǎo)致奧氏體失穩(wěn)略微減小（如圖3c）。圖3d表明馬氏體最終相變量隨預(yù)應(yīng)變?cè)黾舆_(dá)到峰值后大幅下降。這暗示了盡管奧氏體失穩(wěn)，但必定有競爭因素抑制了馬氏體轉(zhuǎn)變。

圖3.馬氏體轉(zhuǎn)變特征。(a)連續(xù)冷處理過程中馬氏體體積分?jǐn)?shù)變化；(b) 連續(xù)冷處理過程中馬氏體轉(zhuǎn)變速率；(c)和(d)Ms和最終馬氏體轉(zhuǎn)變量。

本文再次證明了滑移帶可以為馬氏體相變提供形核位點(diǎn)（圖4藍(lán)色方框），這是低預(yù)應(yīng)變導(dǎo)致奧氏體失穩(wěn)的原因。圖4微觀組織結(jié)構(gòu)表明P3樣品馬氏體占據(jù)了整個(gè)奧氏體晶粒，而P13樣品馬氏體僅分布于上半部分，并且高預(yù)應(yīng)變下馬氏體板條寬度降低，這都表明滑移帶對(duì)馬氏體生長產(chǎn)生了一定的阻礙。總之，奧氏體熱穩(wěn)定性從失穩(wěn)到穩(wěn)定的轉(zhuǎn)變歸因于缺陷密度與滑移帶間距的競爭。

圖4.冷處理后的微觀結(jié)構(gòu)(a-c: PS-3, d-f: PS-13)。(a)和(d)表面形貌；(b)和(e) α’ IPF Z和背景對(duì)比圖；(c)和(f)馬氏體塊寬度統(tǒng)計(jì)分布圖。

文章首次提出了預(yù)應(yīng)變強(qiáng)化了馬氏體的變體選擇新觀點(diǎn)。馬氏體的變體數(shù)量與預(yù)應(yīng)變量呈負(fù)相關(guān)，這主要?dú)w因于慣習(xí)面與滑移面幾乎平行的變體更容易形成。馬氏體形核后的生長會(huì)被相鄰的滑移帶阻止，只有首選的變體生長阻較小。該情況類似于奧氏體晶粒細(xì)化，當(dāng)奧氏體晶粒尺寸減小時(shí)，變體的數(shù)量隨之減少。變體選擇能有效增加轉(zhuǎn)變過程中的彈性應(yīng)變能，這揭示了較高預(yù)應(yīng)變減低Ms的原因。

圖5.不同預(yù)應(yīng)變樣品冷處理后的馬氏體變體選擇行為。(a)、(b)和(c) α’ IPF Z和背景對(duì)比圖；(d)、(e)和(f) 各變體的體積分布圖。

綜上所述，本文通過精細(xì)的表征手段定量化實(shí)驗(yàn)將馬氏體尺寸與變形誘發(fā)缺陷的特征聯(lián)系起來，證明了奧氏體的熱穩(wěn)定性轉(zhuǎn)變來源于缺陷密度與滑移帶間距的競爭效應(yīng)。這一研究成果對(duì)指導(dǎo)利用材料成型工藝調(diào)整奧氏體內(nèi)部缺陷，實(shí)現(xiàn)對(duì)奧氏體熱穩(wěn)定性的主動(dòng)調(diào)控，保證低溫服役AHSS的組織需求，優(yōu)化低溫環(huán)境服役AHSS的綜合性能具有重要意義。

本論文研究得到了國家自然科學(xué)基金（52101133和52071066）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（N2107005）、中國博士后科學(xué)基金（2022M710627）的資助。

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