Science&Acta Mater：利用位錯工程調控金屬材料的力學性能

1. 位錯工程簡介

位錯作為微觀缺陷的一種，可以提供優化合金力學性能的一種途徑。泰勒硬化定律只規定了以犧牲塑性為代價的高位錯密度強化效果。然而，觀察到的各種位錯形態具有非均質性，這可能會提高綜合力學性能。因此，許多研究者開始著手設計位錯分布和結構。他們主要從事兩個方面的研究:(1)控制位錯形態;(2)揭示位錯形態與力學性能之間的關系

2. 位錯控制

到目前為止，位錯形態與分布的控制可以通過以下技術來有效的實現：

1）固溶偏析

固溶偏析是控制位錯最有效的方式之一，位錯在遇到固溶原子后，會在固溶原子附近偏聚，形成柯氏氣團，柯氏氣團會阻礙位錯的運動，從而可以有效的強化合金。例如，氫不僅降低了位錯的成核力和傳播力，而且激活了額外的滑移面。氫還能加速Ni形成小的位錯胞和致密的位錯壁。在鋼中，碳、Mn原子向位錯和GBs的偏析是奧氏體形核和生長的先決條件。

2）阻礙位錯運動

具有非均質特性的位錯在材料變形中其著重要的作用。位錯胞具有良好的阻位錯能力，增強了合金的應變硬化性能。另一方面，位錯通道使位錯通道或與GBs的交叉處的應變局部化。這種局部化引發了相變，形成了偏析結構。另外。還可以通過降低動態位錯恢復率來提高塑性。

3）位錯通道

另一方面，位錯通道使位錯通道或與GBs的交點處的應變局部化。這種局部化引發了相變，形成了分區結構。

4）位錯胞

位錯胞具有良好的阻位能力，增強了合金的應變硬化性能。

3. 重要文獻解讀

1）M. Kuzmina, M. Herbig, D. Ponge, S. Sandl?bes, D. Raabe. Linear complexions: Confined chemical and structural states at dislocations.?Science. 2015 ? VOL 349 ISSUE 6252

金屬由于其延展性和強度一直是人類最重要的材料。稱為位錯的線性缺陷攜帶原子剪切步驟，使金屬材料具有可成形性（塑性）。該文主要報告了一種封閉在位錯周圍的化學和結構狀態。在具有提心立方的Fe-9%Mn合金中，發現在熱處理過程中Mn偏析位錯核附近在，隨后形成面心立方區，但沒有進一步生長。該區域與基體處于平衡狀態，并局限于具有共格界面的位錯核內。這種現象類似于界面穩定的結構狀態，稱為表面狀態。對合金進行變形發現一立方米的應變合金包含了非常多的位錯，其密度非常之高，這表明合金元素在位錯附近偏析形成的這種“線性表面”具有強化作用，可以通過偏析和限制的結構狀態發展納米結構并強化合金提供機會。

圖1 Fe-9 % Mn固溶體，50%冷軋，在450℃退火6小時，以引發Mn偏析。(A)亮場STEM圖像；(B)采用12.5原子% Mn等濃度表面(選取12.5原子% Mn作為閾值，突出Mn富集區域)(A)中相同尖端的原子探針相關層析結果。藍色箭頭標記的晶界和位錯線STEM顯微圖和原子探針層析圖中都是可見的。并非所有在STEM可見的位錯在原子探針數據中也可見，反之亦然(紅色箭頭)。C) (A)和(B)覆蓋；(D)放大從(B)取的兩個分區；(E)沿1(垂直于位錯線)和2(沿位錯線)的1D組分剖面[1].

2）B. B. He, B. Hu, H. W. Yen, G. J. Cheng, Z. K. Wang, H. W. Luo, M. X. Huang. High dislocation density–induced large ductility in deformed and partitioned steels. Science 357, 1029–1032 (2017)

對中錳鋼采用多道次軋制+回火工藝，得到了亞穩奧氏體鑲嵌在馬氏體基體上的雙態微觀組織。首先馬氏體相變在材料內部引入了大量的位錯，同時某些針狀體內部還含有孿晶出現。另外，材料經過多道次的塑性變形，材料具有極高的位錯密度，而后面的回火并不會消除位錯，僅僅使得位錯被固溶元素分成不同的區域。大量的位錯堆積于晶界處并在變形時相互作用，使得材料的屈服強度提高。研究還發現材料的塑性不降反升，這主要歸功于以下幾個原因：（1）拉伸前的材料經過冷軋，位錯重新排列轉變形成了許多個位錯胞，在拉伸時，位錯胞的可動和不可動螺型位錯發生滑動，部分位錯會被釋放，導致晶界解析崩塌，在外力作用下原位錯胞被拉長，位錯的滑動與釋放是塑性提高的一個重要原因。（2）微觀結構中大的奧氏體晶粒阻礙了滑動的馬氏體界面，從而起到穩定作用，反過來位錯密度較高的馬氏體又保護了奧氏體，在加上合金元素，例如C等對位錯區的劃分，這樣位錯在變形過程中處于一種相對穩定的狀態，提高了塑性。（3）連續的轉變誘發效應，例如殘余應力在兩種組織之間的相互過渡能夠減小局部應變集中，提供動態應變分區，從而提升了塑性。（4）孿晶的出現也會導致塑性的提升。

圖2 ?D&P鋼拉伸試驗后的微觀組織；A 拉長的位錯胞結構；B 不同應變下XRD的衍射圖譜；C 材料斷裂后在粗大的奧氏體晶粒中形成針狀馬氏體；D 材料變形斷裂后在亞微米奧氏體中形成的孿晶[2]

3）Gutierrez-Urrutia, D. Raabe. Multistage strain hardening through dislocation substructure and twinning in a high strength and ductile weight-reduced Fe–Mn–Al–C steel. Acta Materialia 60 (2012) 5791–5802

采用透射電子顯微鏡和掃描電鏡結合電子背散射衍射研究了Fe-30.5Mn-2.1Al-1.2C (wt.%)鋼在拉伸變形過程中的變形組織演變及其對應變硬化的影響。該合金具有良好的強度和塑性結合(極限抗拉強度為1.6 GPa，斷裂伸長率為55%)。作者從位錯亞結構的細化和形變孿晶的激活來解釋這種行為。早期硬化階段完全由位錯亞結構的大小決定，即泰勒格、胞塊和位錯胞。固溶中高碳含量對位錯亞結構的演變有顯著影響。將這種影響歸因于溶質碳降低了位錯交叉滑移的頻率。隨著外加應力的增加，交叉滑移頻率增大。這導致從平面(泰勒格)到波浪形(細胞、細胞塊)位錯構型的逐漸轉變。這種位錯亞結構的尺寸與所施加的分解應力成反比。我們沒有觀察到所謂的微帶誘導塑性效應。在這種情況下，由于織構效應，微帶在拉伸變形過程中不受支持，因此，對應變硬化沒有影響。

圖3變形為0.1真應變/710 MPa樣品的位錯形態；(a)由堆積位錯組成的滑移帶沿原生滑移系滑動并穿過晶粒內部；(b)兩個非共面滑移系構成的泰勒格；(c)沿主滑移系在晶界處成核形成的HDDWs；(d)高倍放大的高分辨率弱束透射電鏡圖像[3]。

4）A. Kwiatkowski da Silva, G. Inden, A. Kumar, D. Ponge et al. Competition between formation of carbides and reversed austenite during tempering of a medium-manganese steel studied by thermodynamic-kinetic simulations and atom probe tomography. Acta Materialia 147 (2018) 165-175

本文研究了冷軋Fe-7Mn-0.1C- 0.5Si中錳鋼在低溫回火過程中碳化物析出的熱力學和動力學。材料在450℃保溫24小時，以確保相的析出。利用熱力學和動力學模擬，根據局部平衡可忽略分配(LENP)模式預測M23C6碳化物的生長，該模式下碳化物的生長由碳的擴散控制，同時保持界面的局部化學平衡。對在450℃/1、6和24h進行處理的樣品進行原子探針分析，發現LENP是碳化物生長的地方且需要Mn元素的偏析。此外，本研究還觀察到在偏析位錯和晶界處碳含量在6 ~ 8%之間的過渡碳化物的非均相形核。作者將這些碳化物描述為一種復雜的面心立方過渡碳化物(CFCC-TmC相)，它是由碳的FCC結構過飽和而形成的，它將成為更穩定的γ-M23C6碳化物的前驅體，在位錯和晶界處形成。碳的結果表明,添加C不直接支持奧氏體的形成,由于錳被形成的碳化物和奧氏體的成核,從而推遲到后期每FCC核的回火回火的最初階段很容易轉化成一個硬質合金核。為此，研究者提出以下過渡序列：(i)碳和錳共偏析至位錯和晶界;(ii) FCC過渡碳化物的形成;(iii)根據LENP模式控制的生長和(iv)奧氏體形核和生長。

圖4 APT 分析，Fe7Mn0.5Si0.1C合金，經過冷軋，在450℃/24h回火。(a)原子探針重建顯示碳(棕色)和錳(黃色)離子與C和Mn的二維濃度圖:我們觀察到界面附近的局部平衡區變厚，晶界中存在一些過量溶質；(b)有關區域的一維濃度詳細剖面圖載于(a)；：(c) 7 at% Mn等值面顯示從位錯和晶界形成碳化物；（d）通過(c)中等值面顯示的碳化物獲得的Proxygram[4]。

參考文獻：

[1]?M. Kuzmina, M. Herbig, D. Ponge, S. Sandl?bes, D. Raabe. Linear complexions: Confined chemical and structural states at dislocations.?Science. 2015 ? VOL 349 ISSUE 6252.

[2]?B. B. He, B. Hu, H. W. Yen, G. J. Cheng, Z. K. Wang, H. W. Luo, M. X. Huang. High dislocation density–induced large ductility in deformed and partitioned steels. Science 357, 1029–1032 (2017).

[3] Gutierrez-Urrutia, D. Raabe. Multistage strain hardening through dislocation substructure and twinning in a high strength and ductile weight-reduced Fe–Mn–Al–C steel. Acta Materialia 60 (2012) 5791–5802.

[4]?A. Kwiatkowski da Silva, G. Inden, A. Kumar, D. Ponge et al. Competition between formation of carbides and reversed austenite during tempering of a medium-manganese steel studied by thermodynamic-kinetic simulations and atom probe tomography. Acta Materialia 147 (2018) 165-175.

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