低溫下相變引起的異常加工硬化行為研究

概要

在許多合金中都會觀察到相變誘導(dǎo)塑性(TRIP)效應(yīng)，這種效應(yīng)有助于在外部施加應(yīng)力下顯著提高延展性并產(chǎn)生相變，通過亞穩(wěn)態(tài)母相中的馬氏體相變變進(jìn)行材料硬化。對于面心立方(FCC)結(jié)構(gòu)的合金，可以通過調(diào)整層錯能(SFE)來調(diào)節(jié)應(yīng)變誘發(fā)馬氏體的發(fā)生。SFE是一種成分和溫度相關(guān)的特征，它決定了變形機(jī)制：在高SFE時發(fā)生位錯滑移，在中間范圍發(fā)生變形孿晶，在低SFE時則產(chǎn)生馬氏體相變。為了增加應(yīng)變誘導(dǎo)馬氏體的數(shù)量，通過降低工作溫度從而降低層錯能被認(rèn)為是產(chǎn)生TRIP效應(yīng)的有效手段。

商用316L不銹鋼在低溫條件下仍能保持高的強(qiáng)度以及高的延展性，被認(rèn)為是低溫應(yīng)用材料的優(yōu)先選擇。在本工作中，報道了316 L不銹鋼在15K下的原位中子衍射研究，研究了低溫下不銹鋼材料的相變和加工硬化行為。研究結(jié)果表明，316L奧氏體不銹鋼在不同變形階段的應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變和多種變形機(jī)制的協(xié)同作用對加工硬化率的影響是顯著的。

該工作于2024年4月發(fā)表在《Acta Materialia》期刊上，揭示了相變引起的異常加工硬化效應(yīng)，為低溫應(yīng)用提供新的合金設(shè)計策略：通過應(yīng)力分配和持續(xù)相變實現(xiàn)材料良好的延展性和加工硬化性的結(jié)合，可以應(yīng)用于利用TRIP效應(yīng)的復(fù)雜多相合金。

該工作利用單軸圓棒試樣，在日本TAKUMI工程材料衍射儀上，進(jìn)行了單軸拉伸加載的原位中子衍射測量試驗。加載開始前，樣品并在15K下保溫約2小時。為了獲得中子衍射數(shù)據(jù)，在15K下，樣品在拉伸過程中采用階躍加載方式進(jìn)行變形。根據(jù)中子衍射據(jù)計算了相應(yīng)力、堆垛層錯概率、貝茵應(yīng)變以及堆垛層錯能等。

試驗結(jié)果

在拉伸載荷下，316L在15K和室溫（RT）下的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及加工硬化率曲線如圖1所示。測試結(jié)果表明，材料的力學(xué)性能會受到溫度的影響：在15K下，屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的到了極大的提高，并在曲線上觀察到了鋸齒狀結(jié)構(gòu)，這是FCC金屬在極低溫度下變形的特征。低溫下的加工硬化率曲線呈現(xiàn)明顯的三階段行為：第一階段迅速下降；第二階段顯著硬化；第三階段持續(xù)下降。值得注意的是，在第二階段結(jié)束時，加工硬化率達(dá)到最大值6.7 GPa。

1. 316L在室溫和15K下的力學(xué)行為：（a）拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（b）加工硬化率（WHR）

在低溫下單軸加載過程中微觀結(jié)構(gòu)的演化如圖2所示，其中奧氏體、ε-馬氏體和α′-馬氏體分別以紅色、黃色和藍(lán)色表示。在變形結(jié)束時，組織主要由α′-馬氏體組成。

圖2.低溫下不銹鋼變形之前和之后的微觀結(jié)構(gòu)演化對比

原位中子衍射證實了ε-馬氏體在變形過程中的中間作用：隨著加載的繼續(xù)，六方密排ε相的特征峰在變形初期開始出現(xiàn)，在屈服后逐漸減少。變形時的相變序列為：γ → ε → α′。

圖3.低溫下原位加載過程中的組織演變：（a）軸向探測器結(jié)果；（b）橫向探測器結(jié)果

相應(yīng)力以及相位錯密度隨真應(yīng)變的變化如圖4所示：隨著應(yīng)力的增加，γ相應(yīng)力呈現(xiàn)出相對平緩的趨勢，而α′馬氏體的相應(yīng)力表現(xiàn)出更快的增長，表明主應(yīng)力載體向馬氏體轉(zhuǎn)移。

圖4.低溫下變形過程中各組成相的承載能力與位錯密度隨真應(yīng)變的關(guān)系。

316L不銹鋼超低溫下的高加工硬化率主要是由變形引起的FCC向BCC相變引起的。在奧氏體屈服后，ε-馬氏體的相應(yīng)力更高，表明γ → ε的相變有助于加工硬化。當(dāng)ε-馬氏體形成并開始在奧氏體中積累，由于驅(qū)動力克服了形核的能壘，α′-馬氏體的形成變得更加容易。在γ → ε → α′轉(zhuǎn)變過程中生成的相邊界、晶粒亞結(jié)構(gòu)以及晶界對位錯運動起著強(qiáng)烈的阻礙作用，導(dǎo)致加工硬化率的迅速增加。隨著變形的進(jìn)行，可以看到從奧氏體到α′-馬氏體的載荷轉(zhuǎn)移，體心立方相逐漸成為主要的應(yīng)力載體。

結(jié)論

利用原位中子衍射研究了316L不銹鋼在15K下的變形機(jī)理。結(jié)合相演化和EBSD結(jié)果，證實α′-馬氏體相變是由ε-馬氏體作為中間相進(jìn)行演化的。通過實質(zhì)性的相變，實現(xiàn)了從FCC相到BCC相的載荷轉(zhuǎn)移，從而形成了加工硬化的三個階段。α′-馬氏體逐漸取代奧氏體成為了變形時主要的促進(jìn)相，對加工硬化的貢獻(xiàn)最大。這種漸進(jìn)的相變提供了連續(xù)位錯倍增的可能性，將斷裂推遲到相變飽和。