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技術(shù)文章

低溫下相變引起的異常加工硬化行為研究

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概要

在許多合金中都會(huì )觀(guān)察到相變誘導塑性(TRIP)效應,這種效應有助于在外部施加應力下顯著(zhù)提高延展性并產(chǎn)生相變,通過(guò)亞穩態(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)結構的合金,可以通過(guò)調整層錯能(SFE)來(lái)調節應變誘發(fā)馬氏體的發(fā)生。SFE是一種成分和溫度相關(guān)的特征,它決定了變形機制:在高SFE時(shí)發(fā)生位錯滑移,在中間范圍發(fā)生變形孿晶,在低SFE時(shí)則產(chǎn)生馬氏體相變。為了增加應變誘導馬氏體的數量,通過(guò)降低工作溫度從而降低層錯能被認為是產(chǎn)生TRIP效應的有效手段。

商用316L不銹鋼在低溫條件下仍能保持高的強度以及高的延展性,被認為是低溫應用材料的優(yōu)先選擇。在本工作中,報道了316 L不銹鋼在15K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。研究結果表明,316L奧氏體不銹鋼在不同變形階段的應變誘發(fā)馬氏體相變和多種變形機制的協(xié)同作用對加工硬化率的影響是顯著(zhù)的。

低溫下相變引起的異常加工硬化行為研究

該工作于20244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,為低溫應用提供新的合金設計策略:通過(guò)應力分配和持續相變實(shí)現材料良好的延展性和加工硬化性的結合,可以應用于利用TRIP效應的復雜多相合金。

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(kāi)始前,樣品并在15K下保溫約2小時(shí)。為了獲得中子衍射數據,在15K下,樣品在拉伸過(guò)程中采用階躍加載方式進(jìn)行變形。根據中子衍射據計算了相應力、堆垛層錯概率、貝茵應變以及堆垛層錯能等。

試驗結果

在拉伸載荷下,316L15K和室溫(RT)下的真實(shí)應力-應變曲線(xiàn)以及加工硬化率曲線(xiàn)如圖1所示。測試結果表明,材料的力學(xué)性能會(huì )受到溫度的影響:在15K下,屈服強度與抗拉強度的到了極大的提高,并在曲線(xiàn)上觀(guān)察到了鋸齒狀結構,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(xiàn)呈現明顯的三階段行為:第一階段迅速下降;第二階段顯著(zhù)硬化;第三階段持續下降。值得注意的是,在第二階段結束時(shí),加工硬化率達到最大值6.7 GPa。

低溫下相變引起的異常加工硬化行為研究

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


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

低溫下相變引起的異常加工硬化行為研究


2.低溫下不銹鋼變形之前和之后的微觀(guān)結構演化對比

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

低溫下相變引起的異常加工硬化行為研究


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

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

低溫下相變引起的異常加工硬化行為研究


4.低溫下變形過(guò)程中各組成相的承載能力與位錯密度隨真應變的關(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FCCBCC相變引起的。在奧氏體屈服后,ε-馬氏體的相應力更高,表明γ → ε的相變有助于加工硬化。當ε-馬氏體形成并開(kāi)始在奧氏體中積累,由于驅動(dòng)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′轉變過(guò)程中生成的相邊界、晶粒亞結構以及晶界對位錯運動(dòng)起著(zhù)強烈的阻礙作用,導致加工硬化率的迅速增加。隨著(zhù)變形的進(jìn)行,可以看到從奧氏體到α′-馬氏體的載荷轉移,體心立方相逐漸成為主要的應力載體。

結論

利用原位中子衍射研究了316L不銹鋼在15K下的變形機理。結合相演化和EBSD結果,證實(shí)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(guò)實(shí)質(zhì)性的相變,實(shí)現了從FCC相到BCC相的載荷轉移,從而形成了加工硬化的三個(gè)階段。α′-馬氏體逐漸取代奧氏體成為了變形時(shí)主要的促進(jìn)相,對加工硬化的貢獻最大。這種漸進(jìn)的相變提供了連續位錯倍增的可能性,將斷裂推遲到相變飽和。



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