上海交大&北科大等：开发多相异质结构钢，屈服提高2倍以上
导读：异质结构已在许多合金体系的强度和延展性协同作用方面起到优化机械性能的作用。本文通过调节热机械加工参数，获得了由细晶粒和粗晶粒组成的铁素体嵌在纳米晶粒附近的多相异质组织。在多相异质结构钢中，获得了1.2 GPa的屈服强度，该屈服强度比粗晶粒的屈服强度高出两倍以上，且均匀延伸率损失较低。持续应变硬化归因于异质形变诱导的应力，该应力与相变诱导塑性（TRIP）和孪晶诱导塑性（TWIP）效应的联合激活相关。相变诱发塑性（TRIP）是一种提高加工硬化能力的有效方法，以应对流动应力的增加并保持延展性，这已在TRIP钢，Q＆P钢和中锰钢记载。得益于TRIP效应的延迟破坏，一些具有低堆垛层错能（SFE）的奥氏体钢倾向于在强度和延展性之间权衡。但是，当组成相的晶粒尺寸、体积分数、相分布和硬度未优化时，由于多相基体中的变形不相容性，也可能导致应变局部化和颈缩不稳定。改善奥氏体钢的逆强度-延展性相悖难题的有效强化途径是将晶粒度分级引入材料中，已成为近年来的一个有吸引力的话题。异质结构合金的发展引起了人们的持续关注，即，由于界面上的几何必需位错（GNDs）的存储而引发内在的异质形变诱导（HDI）硬化，从而确保了高甚至超高强度下的均匀延伸率（UEL）。通过大塑性变形和随后的部分再结晶获得的此类材料通常具有从纳米晶粒（NGs）和超细晶粒（UFGs）到粗晶粒（CGs）的分层晶粒尺寸。然而，如何在硬质结构域（NG和UFG）和延性结构域（CG）之间实现平衡的理论仍然难以捉摸，即，NGs表现出高屈服强度，但位错储存能力低，而没有促进材料的整体硬化。因此，对于以千兆帕斯卡量级屈服的钢，迫切需要额外的应变硬化机制，例如TRIP和孪生诱导塑性（TWIP）效应，以维持均匀的可变形性。基于此，上海交通大学联合北京科技大学、上海大学等单位通过设计多相异质结构确保奥氏体不锈钢的强度和延性协同作用。在多相异质结构钢中，获得了1.2 GPa的屈服强度，该屈服强度比粗晶粒的屈服强度高出两倍以上，且均匀延伸率没有发现明显损失。其成果以“Ensuring the strength and ductility synergy in an austenitic stainless steel: single- or multi-phase hetero-structures design”为题发表在《Scripta Materialia》期刊上。论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359646220307004
这项工作中研究的奥氏体不锈钢由0.07％C-0.42％Si-6.15％Mn-18.14％Cr-3.03％Ni-0.11％Mo-1.62％Cu-0.23％N和余量均为Fe的成分组成。图1显示了由CG、HG（分层晶粒）和MHG（多相分层晶粒）钢的各种晶界（GB）组成的EBSD IQ图。在这些样品中均检测到Σ3相干退火孪晶（CTB）。与图1b中的单相微观结构相反，图1c表示双相区域在MHG钢中在RD方向上沿奥氏体基质随机分布。HG钢中部分再结晶的奥氏体基体的分层晶粒由平均直径为1.47μm的粗晶粒（CGs，>1μm，完全再结晶的区域）和平均直径为343nm的细晶粒（FGs，≤1μm，部分重结晶的区域）组成。对于MHG钢，在奥氏体基体中发现了平均直径为1.60μm的CG和平均直径为235 nm的FG。同时，平均尺寸小于100nm的一些奥氏体晶粒主要嵌入在铁素体附近。图1.典型的EBSD IQ图由接收到的CG钢（a），HG钢（b）和MHG钢（c）含有的各种GB组成
图2.CG和异质结构钢的工程应力应变曲线（a）和相应的加工硬化率曲线（b）
图3.MHG钢的原位SXRD和异位EBSD测量。（a）马氏体体积分数的演变。（b）奥氏体{311}和马氏体{211}的晶格应力随马氏体体积分数的变化。（c）异位EBSD测量的相图，其中红色和绿色分别代表奥氏体和马氏体。
图4.中断的应变MHG钢的明场TEM图和相应的选区电子衍射花样（SAED）。在应变为10％的试样中，（a）在FG中观察到一些SF和DT，CG中的变形孪晶（b）和部分马氏体相变（c）可以通过插图SAED花样得到证明。当变形进行到20％时，SAED花样（e）揭示了部分马氏体相变（d）以及奥氏体基体与新形成的马氏体之间的相干取向关系，并且在CG中显示了双孪晶系统，而在FG中几乎表现出无缺陷的形态（f）。
总之，MHG钢的持久应变硬化能力主要源自在整个均匀应变范围内共同激活的TRIP和TWIP效应。在MHG钢的变形初期（ε= 0.1），单晶孪晶系统和马氏体相变在CGs中成核。观察到双孪晶系统的渐进变形直至ε= 0.2。相比之下，原始态的CG钢主要由变形孪晶控制，该孪晶由具有自发的马氏体转变行为的高密度位错阵列组成。对于变形早期的HG钢（ε= 0.1），CGs表现出部分马氏体相变和变形孪晶行为，而FGs也表现出变形孪晶。MHG钢发生了变形初期的马氏体相变，而单相HG钢的TRIP效应被推迟到较大的应变范围内。简而言之，通过将硬质区域引入异质结构的软基质中可以获得更高的强度，但是由于更剧烈的变形不相容性，也可以促进马氏体相变，从而在单相异质结构中实现了更可持续的TRIP效果。
页面更新：2024-05-01
标签：多相 结构钢 晶系 奥氏体 晶粒 延展性 基体 塑性 应力 上海交大 应变 诱导 均匀 强度 结构 马氏体
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这项工作中研究的奥氏体不锈钢由0.07％C-0.42％Si-6.15％Mn-18.14％Cr-3.03％Ni-0.11％Mo-1.62％Cu-0.23％N和余量均为Fe的成分组成。图1显示了由CG、HG（分层晶粒）和MHG（多相分层晶粒）钢的各种晶界（GB）组成的EBSD IQ图。在这些样品中均检测到Σ3相干退火孪晶（CTB）。与图1b中的单相微观结构相反，图1c表示双相区域在MHG钢中在RD方向上沿奥氏体基质随机分布。HG钢中部分再结晶的奥氏体基体的分层晶粒由平均直径为1.47μm的粗晶粒（CGs，>1μm，完全再结晶的区域）和平均直径为343nm的细晶粒（FGs，≤1μm，部分重结晶的区域）组成。对于MHG钢，在奥氏体基体中发现了平均直径为1.60μm的CG和平均直径为235 nm的FG。同时，平均尺寸小于100nm的一些奥氏体晶粒主要嵌入在铁素体附近。
图1.典型的EBSD IQ图由接收到的CG钢（a），HG钢（b）和MHG钢（c）含有的各种GB组成
图2.CG和异质结构钢的工程应力应变曲线（a）和相应的加工硬化率曲线（b）
图3.MHG钢的原位SXRD和异位EBSD测量。（a）马氏体体积分数的演变。（b）奥氏体{311}和马氏体{211}的晶格应力随马氏体体积分数的变化。（c）异位EBSD测量的相图，其中红色和绿色分别代表奥氏体和马氏体。
图4.中断的应变MHG钢的明场TEM图和相应的选区电子衍射花样（SAED）。在应变为10％的试样中，（a）在FG中观察到一些SF和DT，CG中的变形孪晶（b）和部分马氏体相变（c）可以通过插图SAED花样得到证明。当变形进行到20％时，SAED花样（e）揭示了部分马氏体相变（d）以及奥氏体基体与新形成的马氏体之间的相干取向关系，并且在CG中显示了双孪晶系统，而在FG中几乎表现出无缺陷的形态（f）。
