毫米级粗晶(millimeter-grade coarse grain, MCG)及其混晶组织是316LN钢制大锻件热成形过程中常见的一种缺陷，其存在将严重破坏材料的力学性能，需要对其进行细化消除，否则会给生产以及使用带来不可估量的损失。然而大锻件热成形过程中组织演化异常复杂，当前对于粗大晶粒的细化条件、细化机理认识不清晰，对结构件中混晶组织的消除仍存在一定的盲目性。316LN钢属于单相奥氏体不锈钢，在热处理时不发生相变，因此只能通过变形与再结晶对混晶组织进行细化。为了修复大锻件中MCG级混晶组织缺陷，需要研究粗大晶粒微区变形的特殊性及其再结晶发生条件。

上海交通大学的研究人员基于介观尺度原位实验和晶体塑性有限元模拟探究了MCG级混晶组织的微观变形机理。相关论文以“A multiscale investigation on the preferential deformation mechanism of coarse grains in the mixed-grain structure of 316LN steel”为题发表在International Journal of Plasticity上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2022.103244

研究发现，当混晶组织的晶粒尺寸有明显差异时，晶粒尺寸对变形的配分作用优于晶粒取向，大晶粒即使处于硬取向方位，也总是优先发生塑性变形，并形成覆盖MCG及其周围细晶的变形带。随着变形量增大，变形带内MCG附近的一些细晶会逐渐承担更多的变形，以协调变形关系，并导致强烈的应力、应变局部化。

图1. MCG试样和均匀细晶试样在原位微拉伸名义应变3%和25%时介观尺度DIC观察到的Mises应变场分布

TEM表征和晶体塑性模拟同时表明，MCG内部在变形早期发生单滑移，大变形时发生主滑移。进一步研究发现，混晶组织中MCG的激活滑移系数量呈“湖泊”形分布，即晶粒内部仅开动1~2个滑移系，而近边界区域则开动更多的滑移系。这种机制反映了晶界对塑性滑移的阻碍作用减弱。与晶界分数更多且变形方式为多滑移的细晶区相比，MCG中与晶界相关的位错增殖和储存较少，位错交互作用被削弱，因而具有较小的初始滑移阻力和加工硬化率，促使大晶粒优先并持续发生变形。这种变形高度集中在粗大晶粒中的应变配分机理为通过小变形修复大锻件中的混晶缺陷提供了可能性。

图2. 晶体塑性有限元模拟得到的MCG试样和均匀细晶试样的激活滑移系数量分布

图3. 沿图2中MCG内部黄色箭头方向统计的FCC结构12个滑移系的剪切应变分布

图4. 沿图2中细晶内部黄色箭头方向统计的FCC结构12个滑移系的剪切应变分布

图5. TEM获得的MCG内部位错形貌

基于以上应变配分机理，该研究提出了“室温小变形+再结晶退火”的两步法细化工艺：首先在室温条件下给混晶组织提供一个小变形条件，接着快速加热至高温环境下触发再结晶的发生，即利用静态再结晶（SRX）的方式细化混晶组织。通过高温激光共聚焦显微镜，原位观察了SRX全过程，实现了对再结晶形核、长大等行为的高清捕捉。相关研究工作以“Deformation heterogeneity induced coarse grain refinement of the mixed-grain structure of 316LN steel through limited deformation condition”为题发表在Materials & Design上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110057

研究表明，含有MCG级混晶组织的试样，预压缩10%至25%，随后在1250℃下保温10分钟，混晶组织均可得到有效细化。变形量的增加不仅使得SRX更容易发生，还会影响MCG再结晶形核机制。当变形量较大时(25%压下量)，MCG晶界处和晶粒内部同时发生SRX形核；当变形量较小时(10%压下量)，形核只发生在MCG晶界处。形核后的晶粒以晶界弓出的形式发生长大，弓出运动相遇后形成“碰撞线”。在持续的保温过程中，“碰撞线”可能发生局部的迁移，最终稳定下来形成新的晶界。该研究进一步探究了变形量的极小值条件，结果表明仅8%的压下量便可有效改善材料的混晶度。当变形量减小至6.5%时，观察到SRX发生不完全的现象，MCG被部分细化。

图6. (a)25%，(b)15%，(c)10%压下量条件下样品的SRX组织演化

图7. 变形量对粗大晶粒SRX形核机制的影响

图8. (a)8%，(b)6.5%压下量条件下样品的SRX组织演化

与通过动态再结晶改善材料晶粒度的传统思路相比，该研究基于粗大晶粒的优先变形机制提出的“室温小变形+再结晶退火”的两步法细化工艺仅需10%的变形量便可有效细化316LN钢中的MCG级混晶组织。通常来说，当在钢制大锻件中探测出混晶组织时，为了保持锻件形状及必要的加工余量，在修复锻件时不允许发生较大变形。本研究为大锻件的混晶组织消除问题提供了一种有理论支撑的小变形细化方法，对于挽救因晶粒度不合格而面临报废风险的大锻件具有重要的理论意义和工程价值。