導(dǎo)讀：本文系統(tǒng)研究了表面機械磨削處理制備的梯度納米晶AISI 316 L不銹鋼的拉伸變形機理和力學(xué)性能。梯度納米晶樣品在室溫下表現(xiàn)出良好的協(xié)同作用，具有較高的強度和顯著的拉伸延展性。微觀結(jié)構(gòu)觀察表明，與晶界遷移協(xié)同作用的馬氏體相變適應(yīng)了梯度納米晶 316 L SS 最頂層納米晶的拉伸塑性變形，這與在拉伸下均勻粗晶對應(yīng)物中傳統(tǒng)的部分位錯相關(guān)變形孿晶不同。伴隨著晶界遷移速率的降低，馬氏體含量隨拉伸應(yīng)變的增加而顯著增加，在50%的真應(yīng)變下達(dá)到50%。新形成的馬氏體作為強化相，不僅提供了動態(tài)加工硬化，而且有效地抑制了應(yīng)變局部化，從而使梯度納米晶粒具有實質(zhì)性的拉伸延展性。

平均晶粒尺寸小于100nm的均質(zhì)納米晶（NG）金屬材料由于其優(yōu)異的機械性能（如高硬度和高強度）而備受關(guān)注，然而，由于拉伸延展性極其有限，其應(yīng)用前景非常值得懷疑。實驗和分子模擬結(jié)果表明，由于晶粒微小，傳統(tǒng)材料中基于全位錯運動的傳統(tǒng)變形機制在NG金屬中受到完全抑制。同時，基于晶界（GB）活動的其他變形機制，如晶界滑移和晶粒旋轉(zhuǎn)，可能是可選的，但需要熱活化的額外幫助。不幸的是，這些GBs輔助變形機制仍然很少實現(xiàn)或不足以使NG金屬適應(yīng)塑性變形，特別是在室溫和張力載荷下。這是NG金屬通常很脆并且在室溫下表現(xiàn)出有限的拉伸延展性的內(nèi)在原因。

對均質(zhì)納米晶材料的研究表明，要實現(xiàn)其拉伸延展性需要滿足兩個先決條件，一是有效抑制應(yīng)變局部化，二是存在任何有效的塑性變形機制。受自然界中具有空間梯度的局部化學(xué)成分或成分和/或納米級結(jié)構(gòu)特征的生物材料的啟發(fā)，這些材料通常表現(xiàn)出強度和韌性的良好結(jié)合，空間梯度已被引入金屬材料中。對于各種金屬材料，梯度晶粒尺寸策略是提高整體機械性能的成功案例之一，例如強度-延展性協(xié)同作用和非凡的應(yīng)變硬化，它們是在具有均勻或隨機混合微觀結(jié)構(gòu)的材料中無法實現(xiàn)。

例如，梯度納米晶純銅表現(xiàn)出增強的屈服強度和超高的固有拉伸延展性，在室溫下拉伸應(yīng)變超過 100% 而不會斷裂。結(jié)構(gòu)分析表明，梯度晶粒尺寸有效地抑制了應(yīng)變局部化，并允許激活一種新的變形機制，即所謂的機械驅(qū)動晶界遷移 (GBM)。GBM 已被證明是純納米結(jié)構(gòu)金屬中最重要的變形機制之一。最近的研究已將梯度策略擴展到許多材料，例如高熵合金，從中揭示了奇妙的機械性能和新穎的變形機制。

GBM可能受到溶質(zhì)原子的強烈影響。隨著合金元素的添加，GBM速率顯著降低。因此，GBM無法有效協(xié)調(diào)固溶體合金的塑性變形。我們之前對梯度納米晶粒Cu-Al合金的研究表明，當(dāng)溶質(zhì)原子從0wt.%增加到4.5wt.%時，GBM速率降低了兩個數(shù)量級。雖然GBM被抑制，但在Cu-Al合金體系中傾向于激活孿晶。孿晶的體積分?jǐn)?shù)隨著溶質(zhì)原子含量的增加而增加。對于納米晶粒Cu-4.5Al合金，變形孿晶而不是GBM成為主要的變形機制，并協(xié)調(diào)主要的拉伸應(yīng)變。在這種情況下，納米級的多次孿晶提供了足夠的加工硬化以維持拉伸變形，并導(dǎo)致良好的拉伸延展性，同時提高納米晶粒Cu-4.5Al合金的強度。

形變孿晶的激活是低堆垛層錯能（SFE）納米晶材料最重要的變形機制之一，與晶粒尺寸密切相關(guān)。晶粒尺寸的減小也有利于孿晶。然而，當(dāng)晶粒尺寸低于臨界值時，孿晶概率會降低。那么，一個關(guān)鍵的科學(xué)問題是：對于像 316 L SS 這樣的材料，當(dāng)變形孿晶和 GBM 都受到抑制時，梯度納米晶結(jié)構(gòu)能否在室溫下激發(fā)新的變形機制以實現(xiàn)高拉伸延展性和強度 為了回答這個問題，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家實驗室陶乃镕研究團隊制備了一種梯度納米晶粒AISI 316 L不銹鋼（316 L SS）來探索室溫下拉伸載荷下納米晶粒的內(nèi)在變形機理。拉伸結(jié)果表明，梯度納米晶316 L SS表現(xiàn)出良好的高強度和延展性協(xié)同作用。統(tǒng)計和微觀結(jié)構(gòu)分析表明，當(dāng)316 L SS同時抑制變形孿晶和GBM時，馬氏體轉(zhuǎn)變主導(dǎo)了納米晶316 L SS的塑性變形，同時也詳細(xì)討論了納米晶粒的馬氏體轉(zhuǎn)變及其對316 L SS樣品力學(xué)性能的影響。

相關(guān)研究成果以題“ Martensitic transformation dominated tensile plastic deformation of nanograins in a gradient nanostructured 316L stainless steel”發(fā)表在國際期刊Acta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645423001118     

圖1 梯度納米晶 316 L SS 在不同深度處的典型橫截面微觀結(jié)構(gòu)：(a) 350 μm； (b) 250 微米； (c) 200 微米和 (d) 50 微米。插入物是相應(yīng)的選區(qū)電子衍射 (SAED) 圖案。

圖2 （a） 梯度納米晶粒 316 L SS 最頂層 （10 μm） 橫截面微觀結(jié)構(gòu)的典型明場和 （b） 暗場圖像。

圖3 將通過 TEM 觀察測量的橫向晶粒尺寸和平均孿晶/基質(zhì)薄片厚度繪制為深度的函數(shù)。（NG：納米晶；NT：納米孿晶；T/M：孿晶/矩陣；DC：位錯晶胞。插圖是虛線方塊中數(shù)據(jù)的放大圖。）。

圖4 （a）典型的工程應(yīng)力-應(yīng)變拉伸曲線;（b）初級拉伸階段的加工硬化行為;（c）將表壓直徑為 2 mm 的 GNG/CG 和 CG 樣品的加工硬化率繪制為歸一化真實應(yīng)力的函數(shù)。黑線表示根據(jù)科克斯-梅金模型擬合線。

圖5 GNG/CG樣品的硬度輪廓圖（a）拉伸變形前后到各種真實應(yīng)變：（b）33%和（c）83%。

圖6 0 10 μm 深度納米晶粒的典型微觀結(jié)構(gòu) (a) 拉伸應(yīng)變前后： (b) 33%； (c) 115% 和 (d) 127%。虛線和箭頭分別表示局部自由表面方向和單軸拉伸方向。

圖7 （a） 顯示頂部10 μm納米晶層晶粒尺寸分布演變的直方圖（橫向和縱向，Dt和Dl）。標(biāo)記相應(yīng)的真實菌株;（b）用真實應(yīng)變繪制納米晶層（深度0 10μm）的平均晶粒尺寸。插入是相應(yīng)的縱橫比隨真實應(yīng)變而變化。

圖8 SMGT 316 L SS在張力前后的XRD結(jié)果對不同應(yīng)變進(jìn)行了變形。采用CG樣品進(jìn)行比較。馬氏體峰和奧氏體峰分別用α'和γ索引。

圖9（a） 標(biāo)準(zhǔn)奧氏體（固體）和馬氏體（虛線）衍射環(huán)的圖示。重疊的馬氏體衍射環(huán)被忽略;（乙至四）納米晶層的衍射圖（深度10 μm）在應(yīng)變?yōu)椋╞）0%時與標(biāo)準(zhǔn)奧氏體衍射圖疊加;（c） 50%和（d） 127%。箭頭表示馬氏體衍射的出現(xiàn)。

圖10（a）應(yīng)變?yōu)?27%的納米晶粒結(jié)構(gòu)的明場圖像。馬氏體晶粒嵌入奧氏體基材中;（b） （a）的相應(yīng)衍射圖;選擇標(biāo)記為1，2，3和4的四個馬氏體衍射點來操作暗場圖像，分別用c-1，c-2，c-3和c-4表示。暗場圖像揭示的馬氏體晶粒在（a）中勾勒出來。

圖11（a）應(yīng)變?yōu)?27%的納米晶粒結(jié)構(gòu)的明場圖像。馬氏體晶粒嵌入奧氏體基材中;（b） （a）的相應(yīng)衍射圖;選擇標(biāo)記為1，2，3和4的四個馬氏體衍射點來操作暗場圖像，分別用c-1，c-2，c-3和c-4表示。暗場圖像揭示的馬氏體晶粒在（a）中勾勒出來。

通過表面機械研磨處理制備的梯度納米晶316 L SS，晶粒尺寸從最頂層的30 nm逐漸增加到中心46 μm，其拉伸屈服強度是CG的1.3倍，同時仍保持相當(dāng)均勻的延展性。這種優(yōu)越的強度-延性協(xié)同作用主要源于GNG層的空間結(jié)構(gòu)梯度以及新型馬氏體轉(zhuǎn)變和GBM輔助強化和硬化變形機理。納米晶粒316 L SS中不尋常的馬氏體轉(zhuǎn)變源于足夠小的晶粒尺寸，這促進(jìn)了部分位錯的活性，以及梯度納米結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力水平。本研究認(rèn)為，馬氏體相變不僅是除GBM外納米晶粒316 L SS的有效變形機理，而且是納米晶316 L SS罕見的有效加工硬化機理。本研究結(jié)果通過定制納米尺度的梯度晶粒結(jié)構(gòu)，為設(shè)計和開發(fā)高性能金屬材料提供了一種新的有前途的策略。