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塑性(TRIP)效應，這種效應有助于在外部施加應力下顯著提高延展性并產生相變，通過亞穩態母相中的馬氏體相變變進行材料硬化。對于面心立方(FCC)結構的合金，可以通過調整層錯能(SFE)來調節應變誘發馬氏體的發生。SFE是一種成分和溫度相關的特征，它決定了變形機制：在高SFE時發生位錯滑移，在中間范圍發生變形孿晶，在低SFE時則產生馬氏體相變。為了增加應變誘導馬氏體的數量，通過降低工作溫度從而降低層錯能被認為是產生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。研究結果表明，316L奧氏體不銹鋼在不同變形階段的應變誘發馬氏體相變和多種變形機制的協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：通過應力分配和持續相變實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據，在15K下，樣品在拉伸過程中采用階躍加載方式進行變形。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，316L在15K和室溫（RT）下的真實應力-應變曲線以及加工硬化率曲線如圖1所示。測試結果表明，材料的力學性能會受到溫度的影響：在15K下，屈服強度與抗拉強度的到了極大的提高，并在曲線上觀察到了鋸齒狀結構，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呈現明顯的三階段行為：第一階段迅速下降；第二階段顯著硬化；第三階段持續下降。值得注意的是，在第二階段結束時，加工硬化率達到最大值6.7 GPa。

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

在低溫下單軸加載過程中微觀結構的演化如圖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，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構演化對比

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，六方密排ε相的特征峰在變形初期開始出現，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，表明主應力載體向馬氏體轉移。

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變的關系。

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-馬氏體形成并開始在奧氏體中積累，由于驅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′轉變過程中生成的相邊界、晶粒亞結構以及晶界對位錯運動起著強烈的阻礙作用，導致加工硬化率的迅速增加。隨著變形的進行，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α′-馬氏體相變是由ε-馬氏體作為中間相進行演化的。通過實質性的相變，實現了從FCC相到BCC相的載荷轉移，從而形成了加工硬化的三個階段。α′-馬氏體逐漸取代奧氏體成為了變形時主要的促進相，對加工硬化的貢獻最大。這種漸進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。