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東北大學《Scripta Materialia》：實現對奧氏體熱穩定性的主動調控！

2022-10-24 13:49:29 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

目前先進高強鋼（AHSS）的強韌化設計主要是通過調控亞穩奧氏體的穩定性實現，其調控方式主要包括合金成分、晶粒尺寸和奧氏體形貌等。預應變作為材料成型過程中必不可少的階段，其對奧氏體熱穩定性的影響更為復雜。眾所周知，奧氏體的大幅變形會導致馬氏體轉變的起始溫度(Ms)點降低，使其不利于馬氏體轉變，這被稱為奧氏體的機械穩定化。研究學者發現小預變形能升高Ms促進馬氏體轉變，并表明奧氏體失穩來源于預應變引入的更多馬氏體形核質點。然而，目前對預應變作用下奧氏體熱穩定性的轉變機制尚未做出明確解釋，這對利用成型預應變對奧氏體熱穩定性的主動調控，實現低溫應用AHSS的組織調整尤其重要。因此，明確其中的物理轉變機制將更有利于設計可以經受預應變的熱穩定性用鋼。

東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室徐偉教授團隊利用原位磁場檢測與詳細的微觀實驗從形核與長大的角度揭示了預應變作用下亞穩奧氏體由機械失穩到穩定的轉變機制。相關論文“Transitions in the thermal stability of pre-strained austenite – competing effects between defect density and slip band spacing”于近期發表在Scripta Materialia上。文章通訊作者為徐偉教授與王靈禺博士后，第一作者為博士研究生董廣起。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2022.115077

塑性應變能在奧氏體晶粒內部引入大量缺陷為馬氏體相變提供形核質點，因此影響到奧氏體穩定性。研究學者表明低預應變降低奧氏體熱穩定性，這正是由于預應變引入的缺陷為馬氏體相變提供了形核位點，而高預應變將會摧毀馬氏體的形核質點，使其熱穩定性增加。因此，預應變作用下奧氏體的熱穩定性轉變依賴于預應變引入的缺陷。本文分別從宏觀與微觀角度探究了預應變下奧氏體內部的缺陷演變規律，結果表明缺陷密度與滑移帶數量和應變量呈正相關（圖1），但滑移帶間距與應變量呈負相關（圖2）。

圖1：預應變試樣的強度與缺陷演變。(a)真應力-真應變曲線；(b)XRD圖譜；(c)(200)奧氏體峰演變；(d)奧氏體位錯密度-預應變曲線。

圖2.(a-e)通過ECCI表征的微觀亞結構演變；(f)滑移帶間距的小提琴統計圖。

在探究了預應變下微觀亞結構的演變規律后，文章進一步從Ms和最終馬氏體轉變量的角度探究了導致奧氏體熱穩定轉變的主要根源。預應變總是導致奧氏體失穩，并且較高預應變導致奧氏體失穩略微減小（如圖3c）。圖3d表明馬氏體最終相變量隨預應變增加達到峰值后大幅下降。這暗示了盡管奧氏體失穩，但必定有競爭因素抑制了馬氏體轉變。

圖3.馬氏體轉變特征。(a)連續冷處理過程中馬氏體體積分數變化；(b) 連續冷處理過程中馬氏體轉變速率；(c)和(d)Ms和最終馬氏體轉變量。

本文再次證明了滑移帶可以為馬氏體相變提供形核位點（圖4藍色方框），這是低預應變導致奧氏體失穩的原因。圖4微觀組織結構表明P3樣品馬氏體占據了整個奧氏體晶粒，而P13樣品馬氏體僅分布于上半部分，并且高預應變下馬氏體板條寬度降低，這都表明滑移帶對馬氏體生長產生了一定的阻礙。總之，奧氏體熱穩定性從失穩到穩定的轉變歸因于缺陷密度與滑移帶間距的競爭。

圖4.冷處理后的微觀結構(a-c: PS-3, d-f: PS-13)。(a)和(d)表面形貌；(b)和(e) α’ IPF Z和背景對比圖；(c)和(f)馬氏體塊寬度統計分布圖。

文章首次提出了預應變強化了馬氏體的變體選擇新觀點。馬氏體的變體數量與預應變量呈負相關，這主要歸因于慣習面與滑移面幾乎平行的變體更容易形成。馬氏體形核后的生長會被相鄰的滑移帶阻止，只有首選的變體生長阻較小。該情況類似于奧氏體晶粒細化，當奧氏體晶粒尺寸減小時，變體的數量隨之減少。變體選擇能有效增加轉變過程中的彈性應變能，這揭示了較高預應變減低Ms的原因。

圖5.不同預應變樣品冷處理后的馬氏體變體選擇行為。(a)、(b)和(c) α’ IPF Z和背景對比圖；(d)、(e)和(f) 各變體的體積分布圖。

綜上所述，本文通過精細的表征手段定量化實驗將馬氏體尺寸與變形誘發缺陷的特征聯系起來，證明了奧氏體的熱穩定性轉變來源于缺陷密度與滑移帶間距的競爭效應。這一研究成果對指導利用材料成型工藝調整奧氏體內部缺陷，實現對奧氏體熱穩定性的主動調控，保證低溫服役AHSS的組織需求，優化低溫環境服役AHSS的綜合性能具有重要意義。

本論文研究得到了國家自然科學基金（52101133和52071066）、中央高校基本科研業務費（N2107005）、中國博士后科學基金（2022M710627）的資助。

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