導讀：激光沖擊噴丸等嚴重塑性變形技術已被廣泛應用于材料的微觀結構改造。了解SPD過程中的塑性變形機理將有助于優化SPD過程以獲得所需的微觀組織。本文利用LSP技術，對含有馬氏體板條和碳化物的aisi420馬氏體不銹鋼表面組織進行了改性，經過LSP處理后，AISI 420馬氏體不銹鋼的抗拉強度和延伸率分別提高了24.3%和47.8%，并從組織演變的角度研究了其變形機理。高分辨透射電子顯微鏡和x射線衍射分析結果表明，激光沖擊波對AISI 420馬氏體不銹鋼中原始亞微米碳化物產生嚴重變形，導致碳化物破碎。這些lsp誘導的碳化物碎片和原始碳化物促進了馬氏體板條的納米晶化，因為碳化物/基體界面是位錯的有效形核位點，并阻礙了位錯的運動。

提高結構材料的力學性能和性能是非常理想的，可以通過優化材料的微觀結構和/或成分來實現。晶體材料的微觀結構操縱主要通過劇烈塑性變形(SPD)技術加上熱處理來實現。例如，超聲納米晶表面改性，激光沖擊噴丸(LSP)，噴丸強化，表面機械磨損處理(SMAT)和高壓扭轉(HPT) 技術已被普遍采用以細化晶粒，實現超細晶粒/納米晶(UFG/NC)材料。塑性變形機制、織構演化、再結晶甚至納米結晶機制都與SPD技術在不同應變速率和溫度下的工作密切相關。位錯滑移和/或變形孿晶是SPD技術處理的粗晶材料的兩種主要變形模式，隨著應變和/或應變速率的增加，位錯結構和/或變形孿晶的趨勢增加，lsp誘導的晶粒細化機理(從亞微米到納米尺度)越來越受到關注。因為與噴丸處理相比，LSP導致了更深層的表面納米晶化和壓縮殘余應力層。在具有面心立方(FCC)和六方密排(HCP)結構的單相金屬材料中，lsp誘導的晶粒細化主要歸因于位錯活動，機械孿晶和再結晶。與單相材料相比，多相材料由于不同的變形機理和相互作用，變形誘發的微觀組織演化非常復雜，而且可能會發生化學成分和相結構的變化。例如，當含有滲碳體顆粒的鋼通過SMAT進行塑性變形時，滲碳體中會發生溶解/分解。在HPT處理的馬氏體軸承鋼中也報道了類似的現象，滲碳體的分解過程被解釋為基體流動和滲碳體塑性變形產生的界面磨損的協同過程。

馬氏體不銹鋼是一種碳元素含量低、鉻元素含量高、具有體心立方晶體結構的鉻不銹鋼。馬氏體不銹鋼的低碳高鉻在熱處理過程中可能誘發富Cr析出碳化物。近年來，人們對SPD后馬氏體不銹鋼的塑性變形機理和強化機理進行了大量的研究。SPD期間，馬氏體鋼中馬氏體板條的細化是通過各種位錯運動獲得的，隨著應變和應變速率的增加，位錯壁和糾纏發展為亞邊界，細化馬氏體板條。表面機械軋制處理后的AISI 52,100鋼表層獲得了梯度納米結構，使其表面顯微硬度提高了約20%。隨著變形量的增加，經冷軋和電塑軋制處理的低碳馬氏體鋼的強度增加，伸長率呈下降趨勢。有效晶界強化和彌散強化提高了冷鐓9Cr2WVTa鋼的強度。特別是，硬質合金還可以通過位錯滑動進行細化、碎片化和納米晶化。與此相對應，在LSP誘導的馬氏體不銹鋼顯微組織演變研究領域，還存在幾個有待解決的問題，包括:(i) LSP如何生成具有球狀碳化物的BCC鋼的梯度納米結構?(ii)碳化物對馬氏體基體納米化過程的影響機理是什么?(3)激光沖擊壓縮下碳化物納米化的機理是什么?(4)富Cr碳化物在塑性變形和碳化物破碎過程中如何分解?(v) LSP處理后提高aisi420馬氏體不銹鋼強度和塑性的根本機制是什么?目前的工作旨在解決這些問題。研究了LSP處理對含兩相(馬氏體板條和碳化物)aisi420馬氏體不銹鋼的梯度納米結構和拉伸性能的影響。

在此，江蘇大學重點研究了激光沖擊波產生的碳化物碎片的微觀組織特征、兩相的納米化機理以及富Cr碳化物的分解機理。最后，系統地揭示了LSP誘發的潛在強度和延性增強機理。經過LSP處理后，AISI 420馬氏體不銹鋼的抗拉強度和延伸率分別提高了24.3%和47.8%，其抗拉性能的提高可歸因于晶粒細化強化、沉淀強化和位錯強化。LSP生成的馬氏體板條納米晶化是通過兩種同時細分模式來實現的:縱向和橫向亞邊界的相交由位錯密集壁發展而來，橫向亞邊界由位錯纏結轉化而來。碳化物的分解與嚴重的塑性變形同時發生，表現為變形碳化物中Cr濃度連續下降，Fe濃度隨變形程度的增加而增加。相關研究內容以題為《Carbide-facilitated nanocrystallization of martensitic laths and carbide deformation in AISI 420 stainless steel during laser shock peening》發表在《Inter. Jour. Plasticity》上。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0749641921002576

(1)發現分散的碳化物極大地促進了馬氏體板條細化，因為碳化物/基體界面是位錯的有效形核位點，也是位錯運動的障礙。LSP誘導的深度馬氏體板條納米化過程包括兩種類型的同時細分模式：從致密位錯壁（具有初級滑移系統）和橫向子邊界轉變的縱向和橫向子邊界之間的交叉來自位錯纏結（具有兩個滑移系統）。

(2)當馬氏體板條被細化到小于碳化物的尺寸時，碳化物發生塑性變形，其特征是沿{111}和{311}面的多向位錯滑移，并積累多次滑移，逐漸將碳化物細化為納米級上表面有一定尺寸的碳化物。激光沖擊波在原始亞微米碳化物中產生了嚴重變形、輕微變形和不變形三種塑性變形區域。

圖1所示。AR樣品的典型TEM顯微照片。(a)在板條馬氏體金屬絲網和微米/納米碳化物邊界,(b) (a)的相應SAED模式共存的馬氏體金屬絲網和M23C6碳化物(c和e)的高放大TEM圖像微米和納米碳化物(d和f) Cr的EDS分析譜線輪廓,c和鐵碳化物在c和e,(g) AR試樣的x射線衍射圖，(h和i)放大的(110)和(211)XRD峰顯示馬氏體板條與第二相共存。

圖2所示。(a1-a4) LSP-1和(b1-b4) LSP-2樣品在不同深度下的典型TEM圖像分別顯示了(b1)、(a3)和(a4)的梯度納米晶結構和(ce)高倍率SAED圖案。

圖3所示。(a) AR、LSP-1和LSP-2樣品的x射線衍射圖;(b和c)放大后的(110)和(211)XRD峰顯示了LSP發生后的峰移和第二相溶解;(d)放大后的(110)XRD峰顯示了LSP發生后的峰寬。

圖4所示。(a) LSP-1樣品在~30μm深度處碳化物周圍位錯線(DLs)的TEM典型圖像，(b)位錯線的高倍放大圖像，(c)對應的SAED圖形，(b)(d、e) LSP-2樣品在~30μm深度處碳化物周圍致密位錯壁(DDWs)和超細晶粒(UFGs)的典型透射電鏡圖像。

圖5所示。在LSP-1樣品最上層的TEM圖像中，可以看到彌散碳化物周圍的變形基體剪切流形態，如黃色點狀箭頭所示。

圖6所示。(a和b)典型高放大率亮場(BF)顯像在最頂層表面LSP-1和LSP-2標本顯示納米結構,(c)相應的暗場(DF) (b)的形象,和(d1-d3) EDS映射結果c Cr和Fe對應于矩形D (c)。

圖7所示。(a)高分辨率透射電鏡(HRTEM)的納米結構在圖6 b,(中)逆快速傅里葉變換(傳輸線)數字的矩形(a)在nano矩陣和M23C6顯示混亂,分別介紹(f)圖像顯示無定形結構和納米矩陣,和(g和h)傳輸線圖像的矩形g和h (f)。

圖8所示。(a1-a4, b1-b4，) LSP-1和LSP-2樣品在不同深度下的典型透射電鏡圖像顯示了納米碳化物的梯度結構，(c-f)對應的特定區域的SAED圖形用c-f圓標記。

圖9所示。(a)圖8(a3)中碳化物變形的高倍圖像，(b) (a)中矩形b的HRTEM圖像，(C- e) (b)中矩形C- e的IFFT圖像，(f) (a)中碳化物中Cr、C和Fe的線輪廓分析。

圖10所示。(a)典型HRTEM等軸納米碳化物的形象,(b和c)傳輸線矩形b和c的(一個)顯示不同的晶格取向兩個納米碳化物,(d)矩形的傳輸線形象d (a)展示了非晶態結構,(e1)矩形的傳輸線形象E (a)顯示點陣有序納米硬質合金和非晶結構,(a)中矩形E的(e2-e3)一維IFFT圖像。

圖11所示。LSP-1和LSP-2樣品在~15μm和~5μm深度的TEM圖像顯示碳化物碎片。(a) ~15μm深度的LSP-1樣品，(b) ~15μm深度的LSP-2樣品，(c) ~5μm深度的LSP-1樣品，(d) ~5μm深度的LSP-2樣品，(e和f)分別為(c)和(d)中e和f方塊的高分辨率圖像。

圖12所示。典型(a)和(b)男朋友DF TEM圖像最頂層LSP-1標本表面碳化顯示碎片和分解,(b1b3)的EDS映射結果C Cr和相應有限元(b),和(C)的譜線輪廓分析Cr、C和Fe沿著方向的黃色虛線箭頭(b)。

圖13所示。(a) AR、LSP-1和LSP-2試樣的工程應力-應變曲線和(b)微觀硬度深度曲線。

圖14所示。馬氏體板條納米晶化過程的示意圖。(綠色的亮度表示碳化物中Cr的含量。)

圖15所示。M23C6納米晶化示意圖，M23C6在lsps表面的破碎和分解過程隨深度的降低呈現不同階段。(綠色的亮度表示碳化物中Cr的含量。)

圖16所示。lsp誘導aisi420馬氏體鋼的梯度納米結構示意圖。(綠色的亮度表示碳化物中Cr的含量。)

(3)LSP產生的超高應變率導致基體和碳化物的表層結晶順序喪失和最上表面非晶化，這可能是絕熱剪切變形過程中快速熔化和淬火產生的。

(4)碳化物分解與碳化物塑性變形同時發生，分解過程被解釋為基體流動產生的界面磨損與碳化物細化/碎裂的協同過程。隨著塑性變形程度的增加，變形碳化物中的Cr濃度不斷降低，這是由于碳化物的連續分解和碳化物與馬氏體基體的機械混合所致。