毫米級粗晶(millimeter-grade coarse grain, MCG)及其混晶組織是316LN鋼制大鍛件熱成形過程中常見的一種缺陷，其存在將嚴重破壞材料的力學性能，需要對其進行細化消除，否則會給生產以及使用帶來不可估量的損失。然而大鍛件熱成形過程中組織演化異常復雜，當前對于粗大晶粒的細化條件、細化機理認識不清晰，對結構件中混晶組織的消除仍存在一定的盲目性。316LN鋼屬于單相奧氏體不銹鋼，在熱處理時不發生相變，因此只能通過變形與再結晶對混晶組織進行細化。為了修復大鍛件中MCG級混晶組織缺陷，需要研究粗大晶粒微區變形的特殊性及其再結晶發生條件。

上海交通大學的研究人員基于介觀尺度原位實驗和晶體塑性有限元模擬探究了MCG級混晶組織的微觀變形機理。相關論文以“A multiscale investigation on the preferential deformation mechanism of coarse grains in the mixed-grain structure of 316LN steel”為題發表在International Journal of Plasticity上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2022.103244

研究發現，當混晶組織的晶粒尺寸有明顯差異時，晶粒尺寸對變形的配分作用優于晶粒取向，大晶粒即使處于硬取向方位，也總是優先發生塑性變形，并形成覆蓋MCG及其周圍細晶的變形帶。隨著變形量增大，變形帶內MCG附近的一些細晶會逐漸承擔更多的變形，以協調變形關系，并導致強烈的應力、應變局部化。

圖1. MCG試樣和均勻細晶試樣在原位微拉伸名義應變3%和25%時介觀尺度DIC觀察到的Mises應變場分布

TEM表征和晶體塑性模擬同時表明，MCG內部在變形早期發生單滑移，大變形時發生主滑移。進一步研究發現，混晶組織中MCG的激活滑移系數量呈“湖泊”形分布，即晶粒內部僅開動1~2個滑移系，而近邊界區域則開動更多的滑移系。這種機制反映了晶界對塑性滑移的阻礙作用減弱。與晶界分數更多且變形方式為多滑移的細晶區相比，MCG中與晶界相關的位錯增殖和儲存較少，位錯交互作用被削弱，因而具有較小的初始滑移阻力和加工硬化率，促使大晶粒優先并持續發生變形。這種變形高度集中在粗大晶粒中的應變配分機理為通過小變形修復大鍛件中的混晶缺陷提供了可能性。

圖2. 晶體塑性有限元模擬得到的MCG試樣和均勻細晶試樣的激活滑移系數量分布

圖3. 沿圖2中MCG內部黃色箭頭方向統計的FCC結構12個滑移系的剪切應變分布

圖4. 沿圖2中細晶內部黃色箭頭方向統計的FCC結構12個滑移系的剪切應變分布

圖5. TEM獲得的MCG內部位錯形貌

基于以上應變配分機理，該研究提出了“室溫小變形+再結晶退火”的兩步法細化工藝：首先在室溫條件下給混晶組織提供一個小變形條件，接著快速加熱至高溫環境下觸發再結晶的發生，即利用靜態再結晶（SRX）的方式細化混晶組織。通過高溫激光共聚焦顯微鏡，原位觀察了SRX全過程，實現了對再結晶形核、長大等行為的高清捕捉。相關研究工作以“Deformation heterogeneity induced coarse grain refinement of the mixed-grain structure of 316LN steel through limited deformation condition”為題發表在Materials & Design上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110057

研究表明，含有MCG級混晶組織的試樣，預壓縮10%至25%，隨后在1250℃下保溫10分鐘，混晶組織均可得到有效細化。變形量的增加不僅使得SRX更容易發生，還會影響MCG再結晶形核機制。當變形量較大時(25%壓下量)，MCG晶界處和晶粒內部同時發生SRX形核；當變形量較小時(10%壓下量)，形核只發生在MCG晶界處。形核后的晶粒以晶界弓出的形式發生長大，弓出運動相遇后形成“碰撞線”。在持續的保溫過程中，“碰撞線”可能發生局部的遷移，最終穩定下來形成新的晶界。該研究進一步探究了變形量的極小值條件，結果表明僅8%的壓下量便可有效改善材料的混晶度。當變形量減小至6.5%時，觀察到SRX發生不完全的現象，MCG被部分細化。

圖6. (a)25%，(b)15%，(c)10%壓下量條件下樣品的SRX組織演化

圖7. 變形量對粗大晶粒SRX形核機制的影響

圖8. (a)8%，(b)6.5%壓下量條件下樣品的SRX組織演化

與通過動態再結晶改善材料晶粒度的傳統思路相比，該研究基于粗大晶粒的優先變形機制提出的“室溫小變形+再結晶退火”的兩步法細化工藝僅需10%的變形量便可有效細化316LN鋼中的MCG級混晶組織。通常來說，當在鋼制大鍛件中探測出混晶組織時，為了保持鍛件形狀及必要的加工余量，在修復鍛件時不允許發生較大變形。本研究為大鍛件的混晶組織消除問題提供了一種有理論支撐的小變形細化方法，對于挽救因晶粒度不合格而面臨報廢風險的大鍛件具有重要的理論意義和工程價值。