導讀：本文系統研究了表面機械磨削處理制備的梯度納米晶AISI 316 L不銹鋼的拉伸變形機理和力學性能。梯度納米晶樣品在室溫下表現出良好的協同作用，具有較高的強度和顯著的拉伸延展性。微觀結構觀察表明，與晶界遷移協同作用的馬氏體相變適應了梯度納米晶 316 L SS 最頂層納米晶的拉伸塑性變形，這與在拉伸下均勻粗晶對應物中傳統的部分位錯相關變形孿晶不同。伴隨著晶界遷移速率的降低，馬氏體含量隨拉伸應變的增加而顯著增加，在50%的真應變下達到50%。新形成的馬氏體作為強化相，不僅提供了動態加工硬化，而且有效地抑制了應變局部化，從而使梯度納米晶粒具有實質性的拉伸延展性。

平均晶粒尺寸小于100nm的均質納米晶（NG）金屬材料由于其優異的機械性能（如高硬度和高強度）而備受關注，然而，由于拉伸延展性極其有限，其應用前景非常值得懷疑。實驗和分子模擬結果表明，由于晶粒微小，傳統材料中基于全位錯運動的傳統變形機制在NG金屬中受到完全抑制。同時，基于晶界（GB）活動的其他變形機制，如晶界滑移和晶粒旋轉，可能是可選的，但需要熱活化的額外幫助。不幸的是，這些GBs輔助變形機制仍然很少實現或不足以使NG金屬適應塑性變形，特別是在室溫和張力載荷下。這是NG金屬通常很脆并且在室溫下表現出有限的拉伸延展性的內在原因。

對均質納米晶材料的研究表明，要實現其拉伸延展性需要滿足兩個先決條件，一是有效抑制應變局部化，二是存在任何有效的塑性變形機制。受自然界中具有空間梯度的局部化學成分或成分和/或納米級結構特征的生物材料的啟發，這些材料通常表現出強度和韌性的良好結合，空間梯度已被引入金屬材料中。對于各種金屬材料，梯度晶粒尺寸策略是提高整體機械性能的成功案例之一，例如強度-延展性協同作用和非凡的應變硬化，它們是在具有均勻或隨機混合微觀結構的材料中無法實現。

例如，梯度納米晶純銅表現出增強的屈服強度和超高的固有拉伸延展性，在室溫下拉伸應變超過 100% 而不會斷裂。結構分析表明，梯度晶粒尺寸有效地抑制了應變局部化，并允許激活一種新的變形機制，即所謂的機械驅動晶界遷移 (GBM)。GBM 已被證明是純納米結構金屬中最重要的變形機制之一。最近的研究已將梯度策略擴展到許多材料，例如高熵合金，從中揭示了奇妙的機械性能和新穎的變形機制。

GBM可能受到溶質原子的強烈影響。隨著合金元素的添加，GBM速率顯著降低。因此，GBM無法有效協調固溶體合金的塑性變形。我們之前對梯度納米晶粒Cu-Al合金的研究表明，當溶質原子從0wt.%增加到4.5wt.%時，GBM速率降低了兩個數量級。雖然GBM被抑制，但在Cu-Al合金體系中傾向于激活孿晶。孿晶的體積分數隨著溶質原子含量的增加而增加。對于納米晶粒Cu-4.5Al合金，變形孿晶而不是GBM成為主要的變形機制，并協調主要的拉伸應變。在這種情況下，納米級的多次孿晶提供了足夠的加工硬化以維持拉伸變形，并導致良好的拉伸延展性，同時提高納米晶粒Cu-4.5Al合金的強度。

形變孿晶的激活是低堆垛層錯能（SFE）納米晶材料最重要的變形機制之一，與晶粒尺寸密切相關。晶粒尺寸的減小也有利于孿晶。然而，當晶粒尺寸低于臨界值時，孿晶概率會降低。那么，一個關鍵的科學問題是：對于像 316 L SS 這樣的材料，當變形孿晶和 GBM 都受到抑制時，梯度納米晶結構能否在室溫下激發新的變形機制以實現高拉伸延展性和強度 為了回答這個問題，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家實驗室陶乃镕研究團隊制備了一種梯度納米晶粒AISI 316 L不銹鋼（316 L SS）來探索室溫下拉伸載荷下納米晶粒的內在變形機理。拉伸結果表明，梯度納米晶316 L SS表現出良好的高強度和延展性協同作用。統計和微觀結構分析表明，當316 L SS同時抑制變形孿晶和GBM時，馬氏體轉變主導了納米晶316 L SS的塑性變形，同時也詳細討論了納米晶粒的馬氏體轉變及其對316 L SS樣品力學性能的影響。

相關研究成果以題“ Martensitic transformation dominated tensile plastic deformation of nanograins in a gradient nanostructured 316L stainless steel”發表在國際期刊Acta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645423001118     

圖1 梯度納米晶 316 L SS 在不同深度處的典型橫截面微觀結構：(a) 350 μm； (b) 250 微米； (c) 200 微米和 (d) 50 微米。插入物是相應的選區電子衍射 (SAED) 圖案。

圖2 （a） 梯度納米晶粒 316 L SS 最頂層 （10 μm） 橫截面微觀結構的典型明場和 （b） 暗場圖像。

圖3 將通過 TEM 觀察測量的橫向晶粒尺寸和平均孿晶/基質薄片厚度繪制為深度的函數。（NG：納米晶；NT：納米孿晶；T/M：孿晶/矩陣；DC：位錯晶胞。插圖是虛線方塊中數據的放大圖。）。

圖4 （a）典型的工程應力-應變拉伸曲線;（b）初級拉伸階段的加工硬化行為;（c）將表壓直徑為 2 mm 的 GNG/CG 和 CG 樣品的加工硬化率繪制為歸一化真實應力的函數。黑線表示根據科克斯-梅金模型擬合線。

圖5 GNG/CG樣品的硬度輪廓圖（a）拉伸變形前后到各種真實應變：（b）33%和（c）83%。

圖6 0 10 μm 深度納米晶粒的典型微觀結構 (a) 拉伸應變前后： (b) 33%； (c) 115% 和 (d) 127%。虛線和箭頭分別表示局部自由表面方向和單軸拉伸方向。

圖7 （a） 顯示頂部10 μm納米晶層晶粒尺寸分布演變的直方圖（橫向和縱向，Dt和Dl）。標記相應的真實菌株;（b）用真實應變繪制納米晶層（深度0 10μm）的平均晶粒尺寸。插入是相應的縱橫比隨真實應變而變化。

圖8 SMGT 316 L SS在張力前后的XRD結果對不同應變進行了變形。采用CG樣品進行比較。馬氏體峰和奧氏體峰分別用α'和γ索引。

圖9（a） 標準奧氏體（固體）和馬氏體（虛線）衍射環的圖示。重疊的馬氏體衍射環被忽略;（乙至四）納米晶層的衍射圖（深度10 μm）在應變為（b）0%時與標準奧氏體衍射圖疊加;（c） 50%和（d） 127%。箭頭表示馬氏體衍射的出現。

圖10（a）應變為127%的納米晶粒結構的明場圖像。馬氏體晶粒嵌入奧氏體基材中;（b） （a）的相應衍射圖;選擇標記為1，2，3和4的四個馬氏體衍射點來操作暗場圖像，分別用c-1，c-2，c-3和c-4表示。暗場圖像揭示的馬氏體晶粒在（a）中勾勒出來。

圖11（a）應變為127%的納米晶粒結構的明場圖像。馬氏體晶粒嵌入奧氏體基材中;（b） （a）的相應衍射圖;選擇標記為1，2，3和4的四個馬氏體衍射點來操作暗場圖像，分別用c-1，c-2，c-3和c-4表示。暗場圖像揭示的馬氏體晶粒在（a）中勾勒出來。

通過表面機械研磨處理制備的梯度納米晶316 L SS，晶粒尺寸從最頂層的30 nm逐漸增加到中心46 μm，其拉伸屈服強度是CG的1.3倍，同時仍保持相當均勻的延展性。這種優越的強度-延性協同作用主要源于GNG層的空間結構梯度以及新型馬氏體轉變和GBM輔助強化和硬化變形機理。納米晶粒316 L SS中不尋常的馬氏體轉變源于足夠小的晶粒尺寸，這促進了部分位錯的活性，以及梯度納米結構的高應力水平。本研究認為，馬氏體相變不僅是除GBM外納米晶粒316 L SS的有效變形機理，而且是納米晶316 L SS罕見的有效加工硬化機理。本研究結果通過定制納米尺度的梯度晶粒結構，為設計和開發高性能金屬材料提供了一種新的有前途的策略。