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《Acta Materialia》：亞穩態奧氏體不銹鋼的動態應變時效機理！

2021-06-08 16:55:44 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

柯氏氣團最早由Cottrell發現并提出，鋼在一定環境下會形成富含間隙原子的原子氣團，這是導致鐵素體鋼出現不連續屈服和屈服點較高的原因。在低堆垛層錯能（SFE）材料的塑性變形過程中，形成的柯氏氣團會導致應力不連續。20世紀初首次研究了金屬中的不連續塑性流動，后續提出了模型解釋鋸齒狀應力-應變曲線，這種現象被稱為Portevin-LeChatelier （PLC）效應。動態應變時效（DSA）是由溶質原子的柯氏氣團反復形成引起的。有報道提出，在常溫下的DSA發生在變形誘發的馬氏體相變（DIMT）的奧氏體不銹鋼中，但是沒有馬氏體中間隙擴散影響不連續塑性流動的物理解釋，現階段對于DSA在鋼中的產生機理仍不明確。

德國奧斯納布呂克大學的研究人員通過寬溫度范圍內的拉伸試驗結果，闡明了高碳奧氏體不銹鋼Fe-13Cr-3.4Mn-0.47C中DSA的作用機理，提出了一種新的物理模型，解釋了DIMT和DSA之間的關系，探討了DSA的可能起源。相關論文以題為“Dynamic strain aging mechanisms in a metastable austenitic stainless steel”發表在Acta Materialia。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116888

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本文使用的Fe-13Cr-3.4Mn-0.47C鋼在真空感應爐中熔化鑄造，凝固后將鑄錠熱鍛成直徑12mm的棒材。拉伸試驗溫度在室溫至500℃范圍內。研究發現DIMT誘導DSA發生遵循以下過程：不銹鋼中DSA的激活能與馬氏體中碳擴散的激活能相似。馬氏體中碳快速擴散到奧氏體的邊界還導致部分奧氏體轉變成非熱馬氏體并在一定溫度下具有短時熱穩定性。在部分轉變的微結構中，馬氏體邊界附近的區域可作為其他馬氏體板條潛在形核質點，因為它們含有高位錯密度。這種區域容易被馬氏體擴散的碳原子所束縛，從而增加了形成馬氏體所需的過冷度。根據對DSA的解釋，DIMT的出現是否會引起鋸齒狀流動，取決于馬氏體中碳的濃度和擴散性，DIMT的動力學以及奧氏體/馬氏體邊界的區域取決于馬氏體的大小和分布。

圖1 不同溫度下拉伸試驗的應力-應變曲線和局部放大圖

圖2 預應變20%時的應力應變曲線和經預應變后拉伸的應力應變曲線

圖3 （a,b）室溫拉伸后的微觀結構；（c）350℃預拉伸20%；（d）350℃預拉伸20%后在室溫下拉伸至斷裂

通過預應變對變形誘發馬氏體細化的影響及其在室溫下拉伸變形時的分布更均勻，可以得出在一定溫度下預應變會增加室溫拉伸中的DSA。在250℃和300℃下，盡管沒有形變誘發馬氏體，但仍會產生不連續屈服，這是由于碳原子在奧氏體中的充分遷移進而釘扎位錯。在400℃和450℃拉伸時高達20%的應變都未觀察到鋸齒現象。穩定的塑性流變導致此溫度范圍內具有平滑的變形曲線，這是由碳原子的高擴散性導致引起。而500℃的曲線出現鋸齒表示不連續屈服重新出現，歸因于位錯與合金元素C和Mn原子的動態相互作用。