中科院力學所Mater. Sci. Eng., A: 超細晶粒雙相高強度鋼超塑性行為的變形機理

【引言】

超細晶粒高強度鋼（UFG HSSS）因其優異的機械性能而在汽車行業有著廣泛的應用前景。這種超細晶粒高強度鋼（UFG HSSS）由于其雙相組織和細晶粒尺寸，在工業中較易超塑性成形。然而，HSSS在高溫拉伸變形下的超塑性行為和相應的變形機理尚不清楚。

【成果簡介】

近日，中科院力學研究所袁福平研究員（通訊作者）在Mater. Sci. Eng., A上發表了一篇題為“Deformation mechanisms for superplastic behaviors in a dual-phase high specific strength steel with ultrafine grains”的文章。該團隊研究了在873-973K的溫度范圍和10^-4-10^-1 / s的寬應變速率范圍內具有雙相組織和超細晶粒的高強度鋼（HSSS）的超塑性行為。在973K溫度和10^-3 / s的應變速率下，不連續高溫單軸拉伸試驗的顯微觀察結果表明：第一階段（應變范圍從0％到400％）其主要機理為從fcc奧氏體到金屬間化合物B2相的晶界滑移擴散轉變。第二階段（應變范圍從400％到629％）的主要機制為晶內位錯運動。并且觀察到亞微米級、相對穩定的雙相組織有助于超塑性流動。

【圖文導讀】

圖一 未測試樣品微觀結構

(a) 未測試樣品EBSD相分布圖

(b) 未測試樣品TEM圖；紅色為fcc奧氏體，藍色為B2相；插圖為選區電子衍射圖樣，電子束//[011]_γ & [001]_B2。

圖二 HSSS拉伸性能

不同溫度以及應變速率條件下的拉伸性能測試：

(a) 873K；

(b) 923K；

(c) 973K；方框表示不連續拉伸試驗測試點。

圖三 超塑性特性指標

(a) 不同溫度下斷裂伸長率以及流變應力最大值與應變速率函數，同時給出了973K條件下應變速率敏感指數；

(b) 不同鋼種以及金屬間化合物歸一化變形溫度與斷裂伸長率函數。

圖四 不同條件下EBSD相分布對時間的依賴性

973K，靜態退火

(a) 38min；

(b) 72min；

(c) 110min；

973K，應變速率10^-3/s，高溫拉伸變形

(d) 38min；

(e) 72min；

(f) 110min；

(g) B2相體積分數對時間的依賴性。

圖五 B2相轉變指標測定

(a) 靜態退火、高溫變形條件下B2相晶粒平均尺寸對時間的依賴性，遵循t^-1/2擴散定律；

(b) HSSS鋼最大流變應力對數值-10000/T函數；

(c) 變形后的B2相的歸一化體積分數對時間的依賴性；

(d) vs lnt曲線。

圖六 高溫拉伸變形條件下fcc奧氏體相的EBSD IPF圖

實驗條件：973K，應變速率10^-3/s

(a) ε=0；

(b) ε=200%；

(c) ε=400%；

(d) ε=629%；

(e) 不同應變條件下晶粒尺寸分布；

(f) 不同應變條件下晶界角分布。

圖七 高溫拉伸變形條件下B2相的EBSD IPF圖

實驗條件：973K，應變速率10^-3/s

(a) ε=0；

(b) ε=200%；

(c) ε=400%；

(d) ε=629%；

(e) 不同應變條件下晶粒尺寸分布；

(f) 不同應變條件下晶界角分布。

圖八 高溫拉伸變形條件下fcc奧氏體相的KAM圖

實驗條件：973K，應變速率10^-3/s

(a) ε=0；

(b) ε=200%；

(c) ε=400%；

(d) ε=629%；

(e) 不同應變條件下的KAM分布圖。

圖九 高溫拉伸變形條件下B2相的KAM圖

實驗條件：973K，應變速率10^-3/s

(a) ε=0；

(b) ε=200%；

(c) ε=400%；

(d) ε=629%；

(e) 不同應變條件下的KAM分布圖。

圖十 高溫變形試樣斷口圖像

(a) 973K，10^-3/s應變速率條件下高溫變形試樣斷口SEM圖像；

(b) 圖10(a)矩形區域特寫視圖。

【小結】

該研究團隊研究了HSSS在高溫拉伸變形下的超塑性行為和相應的變形機理，得到了以下結論：

1）UFG HSSS顯示出優異的超塑性。在973K和10^-3 / s的應變速率下，不連續試驗的顯微觀察結果表明兩個階段對應不同的機理。

2）第一階段（應變范圍從0％到400％），超塑性流動歸因于從fcc奧氏體相到B2相的晶界滑移應變增強擴散轉變。B2沉淀物的平均尺寸遵循著名的t^-1/2擴散規律，活化能約為216kJ/mol，轉變特征指數n接近1.26，表明轉變是沿著缺陷進行擴散控制。并且觀察到亞微米級、相對穩定的雙相組織有助于超塑性流動。

3）第二階段（應變范圍從400％到629％），頸縮擴散導致實際應變率的增加和從中間應變速率區到高應變速率區的轉變，因此晶粒內部的位錯滑移和攀移為這個階段的主導機制。

文獻鏈接：Deformation mechanisms for superplastic behaviors in a dual-phase high specific strength steel with ultrafine grains(Mater. Sci. Eng., A, 6 July, 2017, DOI: org/10.1016/j.msea.2017.07.011)

本文由材料人編輯部陳炳旭編譯，劉宇龍審核，點我加入材料人編輯部。

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