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弗吉尼亞理工大學：揭示超細晶TWIP鋼不連續屈服行為的根本原因！

2021-03-05 11:44:44 作者：本網整理來源：材料學網微信公眾號分享至：

導讀：本文研究了超細晶粒（UFG）Fe-31Mn-3Al-3Si（wt。％）奧氏體TWIP鋼不連續屈服行為的潛在機理。通過實驗揭示在變形的早期，在宏觀屈服點附近，塑性變形機制顯示出與晶粒大小的明顯關聯。進一步來說，其主要機理從晶粒內部的傳統滑移轉變為從晶界成核的孿晶變形，同時晶粒尺寸減小至小于1μm。晶粒尺寸依賴性變形機制的轉變也與不連續屈服行為密切相關，因為它可以控制宏觀屈服點附近可移動位錯的晶粒內部位錯密度的變化。

近二十年來，已開發出旨在實現高強度-高延伸率平衡的高錳奧氏體孿生誘導塑性（TWIP）鋼。在室溫下，當TWIP鋼的堆垛層錯能（SFE）在12-55 mJ m -2的范圍內時，通常會觀察到高形變孿晶活性。目前，變形孿晶被認為是提高應變硬化速率的關鍵，而應變硬化速率是獲得高強度-大的延展性平衡的關鍵因素，因為變形孿晶可能成為位錯運動的強大障礙，從而導致強烈的應變硬化效果。

由于高錳奧氏體TWIP鋼的面心立方（FCC）結構，其屈服強度低，限制了它們的實際應用。為了在不改變化學成分的情況下提高屈服強度，已經應用了晶粒細化技術并獲得了早期的成功。平均晶粒尺寸小于1μm的TWIP鋼的應力-應變曲線既具有高強度又具有大的拉伸延展性。有趣的是，UFG TWIP鋼還表現出以明顯的屈服下降為特征的不連續屈服，而不是通常在FCC金屬和合金中觀察到的連續屈服。然而，關于UFG金屬（尤其是無間隙金屬和合金）中不連續屈服并伴隨屈服下降的潛在機理的研究仍在進行中。

在此，美國弗吉尼亞理工大學科研人員研究發現UFG高錳TWIP鋼的塑性變形行為及其控制機制被認為與晶粒尺寸有關，并且可能與常規晶粒尺寸對應物中的控制機制不同。因此，為了研究UFG Fe-31Mn-3Al-3Si TWIP鋼（平均晶粒度0.79±0.39μm）中不連續屈服行為的潛在機理，特別關注1μm附近的變形組織。在接近屈服應變水平（工程應變= 0.02、0.03、0.046、0.062）的晶粒尺寸。晶粒尺寸依賴性變形機制的轉變也與不連續屈服行為密切相關，因為它可以控制宏觀屈服點附近可移動位錯的晶粒內部位錯密度的變化。相關研究成果以題“Grain size altering yielding mechanisms in ultrafine grained high-Mn austenitic steel: advanced TEM investigations”發表在Journal of Materials Science & Technology上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.01.031

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在變形的早期，在宏觀屈服點附近的塑性變形機制顯示出明顯的晶粒尺寸依賴性。在粗粒樣品中，撞擊在孿晶退火邊界上的堆積位錯在孿晶邊界處引起堆垛層錯成核，而在孿晶邊界上產生滑移轉移的螺位錯似乎對堆垛層錯成核無效。與位錯錯滑相關的堆積斷層的形成由一系堆垛層錯可能是形變孿晶的先兆。

圖1。Fe-31Mn-3Al-3Si平均晶粒尺寸為0.79μm和15.4μm的工程應力-應變曲線。黑色箭頭表示不連續屈服。

圖2。完全再結晶的粗晶粒和UFG樣品的EBSD圖：（a，b）晶界圖，（c，d）取向不良分布直方圖，（e，f）軋制方向上的晶粒取向分布。（a），（c）和（e）來自粗顆粒（15.4±5.2μm）樣品；（b），（d）和（f）來自UFG（0.79±0.39μm）樣品。

圖3。明場（BF）TEM圖像顯示了變形至工程應變= 0.02的粗顆粒晶

圖4。工程應變= 0.02的粗晶樣品中的晶粒進行的分析。

在UFG樣品中，每個不同尺寸晶粒的初始塑性變形行為都是唯一的。位錯似乎是由大于1μm的晶粒的晶粒內源產生的，而堆垛層錯/變形孿晶則直接在小于1μm的晶粒的晶界處成核。亞微米晶粒中不會抑制形變孿晶的形成。

圖6。BF TEM圖像顯示了UFG樣品的微觀結構和缺陷，變形為工程應變= 0.046。（a）位錯（條紋箭頭）似乎是由晶粒內部Frank讀取源產生的，晶粒尺寸超過1μm（尺寸接近2μm）。（b）在大約1μm的晶粒（尺寸接近1.4μm）中有近1 nm厚的變形孿晶。插圖HRTEM圖像顯示了薄形變形孿晶的原子結構。（c）在1μm以下的晶粒（尺寸小于500 nm）中由多個變形孿晶晶界

在UFG樣品中，每個晶粒缺乏初始的移動位錯和超細晶粒中無活性位錯源似乎是造成較高的高屈服強度的原因。在屈服點之后，存儲在鋼中的彈性能量將通過啟動新的變形模式（即堆垛層錯核化和晶界處的變形孿晶）而釋放。變形機理從晶粒內滑移到晶界處的變形孿生導致工程應力-應變曲線的宏觀屈服下降。

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