Acta Mater.：貝氏體鋼中位錯密度的演化：模擬和實驗

【引言】

在眾多的先進高強度鋼（AHSS）中，貝氏體鋼由于其高強度和韌性，在近幾年得到了大量研究。貝氏體鋼優異的機械性能應歸功于其通過貝氏體轉變得到的貝氏體板條狀結構。由于貝氏體轉變的本質，厚度在0.1-1μm范圍內不等的板條中，板條內部和接近晶界處的位錯密度呈現不均勻分布。此外，有研究發現厚度更薄的貝氏體往往具有更高的位錯密度。因此，貝氏體鋼的顯微結構特征由于鐵素體鋼的粗粒化而顯著不同。對于全貝氏體結構的貝氏體鋼，塑性流動主要依靠位錯滑移。由于位錯分布不均勻的超精細板條厚度，塑性流動時，可能在板條晶界和位錯之間存在著強相互作用。也可以說，板條晶界在貝氏體鋼的機械性能中發揮著重要作用。

?【成果簡介】

具有密集的板條狀晶界的貝氏體鋼將高強度和高韌性很好地結合起來。橫跨貝氏體板條厚度方向，有著不均勻分布的位錯。該篇文章從模擬和實驗角度，定量研究了在貝氏體鋼的位錯密度演化中，具有不均勻分布位錯的貝氏體板條狀晶界所起的作用。

近日，香港大學的黃明欣教授在Acta Materialia上發表最新研究成果“Evolution of dislocation density in bainitic steel: Modeling and experiments”。本文首次通過兩個新參量，將Kocks-Mecking模型擴展到探究貝氏體鋼中晶界誘導位錯的增殖和湮滅機制。初始的位錯密度和貝氏體板條厚度分別通過同步輻射X射線衍射分析和顯微觀察獲得。基于模擬和實驗工作，作者發現在拉伸形變期間，板條晶界處位錯的富集對位錯的增殖和湮滅有著重要影響。貝氏體板條晶界處的位錯密度通過現有模型估計，是板條內部位錯密度的兩倍，該結果和實驗觀測一致。

【圖文導讀】

圖1：厚度為t的貝氏體板條的示意圖。

加粗的黑線表示貝氏體板條晶界，灰色表示厚度為c的邊界區域。晶界處的位錯富集通過靠近板條晶界的位錯密度增加表示。

圖2：顯微組織的SEM表征。

(a)0C-Bain1鋼；

(b)0.25C-Bain2鋼。

圖3：(a) 0C-Bain1鋼和(b) 0C-Ferrite1鋼的EBSD IPF-Z分布圖。

位相差角（misorientation angle）高于15^o的高角度晶界用黑線表示，2^o-7^o和的7^o-15^o的低角度晶界分別用紅線和綠線表示。黃線表示1^o-2^o的位錯密集的晶界。

圖4：位錯分布的TEM表征。

(a) 25C-Bain1鋼的掃描電鏡透射模式（STEM）明場圖像；

(b) 0C-Ferrite2鋼的透射電鏡明場圖像。左上角內插圖為衍射矢量。

圖5：鋼樣品的同步輻射XRD表征。

(a)0%-18%的Ferrite1鋼形變過程中(2 1 1)峰寬度的演化情況；

(b)對0%應變的25-Bain3鋼，同步輻射XRD觀測得到的和CMWP擬合得到的圖樣。

圖6：不同形變應變的位錯密度測量值和板條厚度的倒數值。

實心點表示未變形的初始位錯密度，相應的空心點表示形變狀態下的位錯密度。

圖7：(a)0C貝氏體鋼和(b)0.25C貝氏體鋼的位錯密度演化模擬結果。

藍色，綠色和紅色曲線表示從該模型中得到的預測結果。同種顏色的空心點相應表示CMWP方法測得的位錯密度。

圖8：(a)0C貝氏體鋼和(b)0.25C貝氏體鋼的應力-應變曲線的試驗和模擬結果。

藍色，綠色和紅色曲線表示拉伸實驗的結果，灰色點劃線表示模擬結果。

圖9：位錯密度演化的模擬結果。圖例定義和圖7相同。

圖10：(a)0C貝氏體鋼和(b)0.25C貝氏體鋼的位錯密度的實驗和模擬結果。

點表示實驗數據是測量屈服應力所得數據，曲線表示模擬結果。虛線表示現有模型基于公式19的外推結果。0.25C-Bain2鋼的初始位錯密度，位錯密度峰值和飽和值用ρ₀，ρ_p和ρ_s依次表示。

圖11：總位錯增加因子與板條厚度（或晶粒大小）的倒數的關系曲線。

三角，圓形和正方形點依次表示0.25C貝氏體鋼，0C貝氏體鋼和0C鐵素體鋼的數據。灰色虛線為擬合結果。隨板條厚度減小，位錯密度增加，因此更小的板條厚度可導致更高的位錯增長速率。而晶界位錯湮滅機制隨板條厚度變化的可能呈現的行為不同。

【小結】

本文通過對貝氏體鋼形變行為的模擬和實驗，首次定量研究了貝氏體板條晶界對晶界誘導位錯的增殖和湮滅產生的影響。基于當前研究的擴展位錯模型，可得到以下結論：

1. 現有模型可以預測不同板條厚度的貝氏體鋼和不同晶粒大小的鐵素體鋼中的位錯演化和加工硬化。現有模型參數表示位錯增殖和湮滅隨板條厚度的減小而明顯提高。
2. 位錯演化的增強是由于貝氏體板條中位錯分布不均勻產生的。晶界位錯增加可以很好地解釋晶界誘導位錯湮滅，而晶界位錯的增加和減少都可造成晶界誘導位錯增殖。
3. 根據現有模型推斷，距離板條邊界0-0.2μm的區域，其位錯密度是板條內部的兩倍，與文章中的實驗觀察一致。

文獻鏈接：Evolution of dislocation density in bainitic steel: Modeling and experiments（Acta Mater.，2018，DOI：10.1016/j.actamat.2018.02.023）

本文由材料人金屬材料組Isobel供稿，材料牛整理編輯。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部大家庭。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及內容合作可加編輯微信：RDD-2011-CHERISH，任丹丹，我們會邀請各位老師加入專家群。

材料人重磅推出材料計算解決方案，組建了一支來自全國知名高校老師及企業工程師的科技顧問團隊，專注于為大家解決各類計算模擬需求。如果您有需求，歡迎掃以下二維碼提交您的需求。或點擊鏈接提交，或直接聯系微信客服（微信號：iceshigu）