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弗吉尼亞理工大學(xué)：揭示超細(xì)晶TWIP鋼不連續(xù)屈服行為的根本原因！

2021-03-05 11:44:44 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng)微信公眾號(hào) 分享至：

導(dǎo)讀：本文研究了超細(xì)晶粒（UFG）Fe-31Mn-3Al-3Si（wt。％）奧氏體TWIP鋼不連續(xù)屈服行為的潛在機(jī)理。通過(guò)實(shí)驗(yàn)揭示在變形的早期，在宏觀屈服點(diǎn)附近，塑性變形機(jī)制顯示出與晶粒大小的明顯關(guān)聯(lián)。進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，其主要機(jī)理從晶粒內(nèi)部的傳統(tǒng)滑移轉(zhuǎn)變?yōu)閺木Ы绯珊说膶\晶變形，同時(shí)晶粒尺寸減小至小于1μm。晶粒尺寸依賴性變形機(jī)制的轉(zhuǎn)變也與不連續(xù)屈服行為密切相關(guān)，因?yàn)樗梢钥刂坪暧^屈服點(diǎn)附近可移動(dòng)位錯(cuò)的晶粒內(nèi)部位錯(cuò)密度的變化。

近二十年來(lái)，已開(kāi)發(fā)出旨在實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度-高延伸率平衡的高錳奧氏體孿生誘導(dǎo)塑性（TWIP）鋼。在室溫下，當(dāng)TWIP鋼的堆垛層錯(cuò)能（SFE）在12-55 mJ m -2的范圍內(nèi)時(shí)，通常會(huì)觀察到高形變孿晶活性。目前，變形孿晶被認(rèn)為是提高應(yīng)變硬化速率的關(guān)鍵，而應(yīng)變硬化速率是獲得高強(qiáng)度-大的延展性平衡的關(guān)鍵因素，因?yàn)樽冃螌\晶可能成為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)大障礙，從而導(dǎo)致強(qiáng)烈的應(yīng)變硬化效果。

由于高錳奧氏體TWIP鋼的面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)，其屈服強(qiáng)度低，限制了它們的實(shí)際應(yīng)用。為了在不改變化學(xué)成分的情況下提高屈服強(qiáng)度，已經(jīng)應(yīng)用了晶粒細(xì)化技術(shù)并獲得了早期的成功。平均晶粒尺寸小于1μm的TWIP鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線既具有高強(qiáng)度又具有大的拉伸延展性。有趣的是，UFG TWIP鋼還表現(xiàn)出以明顯的屈服下降為特征的不連續(xù)屈服，而不是通常在FCC金屬和合金中觀察到的連續(xù)屈服。然而，關(guān)于UFG金屬（尤其是無(wú)間隙金屬和合金）中不連續(xù)屈服并伴隨屈服下降的潛在機(jī)理的研究仍在進(jìn)行中。

在此，美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)科研人員研究發(fā)現(xiàn)UFG高錳TWIP鋼的塑性變形行為及其控制機(jī)制被認(rèn)為與晶粒尺寸有關(guān)，并且可能與常規(guī)晶粒尺寸對(duì)應(yīng)物中的控制機(jī)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(xù)屈服行為的潛在機(jī)理，特別關(guān)注1μm附近的變形組織。在接近屈服應(yīng)變水平（工程應(yīng)變= 0.02、0.03、0.046、0.062）的晶粒尺寸。晶粒尺寸依賴性變形機(jī)制的轉(zhuǎn)變也與不連續(xù)屈服行為密切相關(guān)，因?yàn)樗梢钥刂坪暧^屈服點(diǎn)附近可移動(dòng)位錯(cuò)的晶粒內(nèi)部位錯(cuò)密度的變化。相關(guān)研究成果以題“Grain size altering yielding mechanisms in ultrafine grained high-Mn austenitic steel: advanced TEM investigations”發(fā)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(diǎn)附近的塑性變形機(jī)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(cuò)在孿晶邊界處引起堆垛層錯(cuò)成核，而在孿晶邊界上產(chǎn)生滑移轉(zhuǎn)移的螺位錯(cuò)似乎對(duì)堆垛層錯(cuò)成核無(wú)效。與位錯(cuò)錯(cuò)滑相關(guān)的堆積斷層的形成由一系堆垛層錯(cuò)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(yīng)力-應(yīng)變曲線。黑色箭頭表示不連續(xù)屈服。

圖2。完全再結(jié)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(lái)自粗顆粒（15.4±5.2μm）樣品；（b），（d）和（f）來(lái)自UFG（0.79±0.39μm）樣品。

圖3。明場(chǎng)（BF）TEM圖像顯示了變形至工程應(yīng)變= 0.02的粗顆粒晶

圖4。工程應(yīng)變= 0.02的粗晶樣品中的晶粒進(jìn)行的分析。

在UFG樣品中，每個(gè)不同尺寸晶粒的初始塑性變形行為都是唯一的。位錯(cuò)似乎是由大于1μm的晶粒的晶粒內(nèi)源產(chǎn)生的，而堆垛層錯(cuò)/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(huì)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(jié)構(gòu)和缺陷，變形為工程應(yīng)變= 0.046。（a）位錯(cuò)（條紋箭頭）似乎是由晶粒內(nèi)部Frank讀取源產(chǎn)生的，晶粒尺寸超過(guò)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(jié)構(gòu)。（c）在1μm以下的晶粒（尺寸小于500 nm）中由多個(gè)變形孿晶晶界

在UFG樣品中，每個(gè)晶粒缺乏初始的移動(dòng)位錯(cuò)和超細(xì)晶粒中無(wú)活性位錯(cuò)源似乎是造成較高的高屈服強(qiáng)度的原因。在屈服點(diǎn)之后，存儲(chǔ)在鋼中的彈性能量將通過(guò)啟動(dòng)新的變形模式（即堆垛層錯(cuò)核化和晶界處的變形孿晶）而釋放。變形機(jī)理從晶粒內(nèi)滑移到晶界處的變形孿生導(dǎo)致工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線的宏觀屈服下降。

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