东北大学《Scripta Materialia》：实现对奥氏体热稳定性的主动调控！

2022-10-24 13:49:29 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

目前先进高强钢（AHSS）的强韧化设计主要是通过调控亚稳奥氏体的稳定性实现，其调控方式主要包括合金成分、晶粒尺寸和奥氏体形貌等。预应变作为材料成型过程中必不可少的阶段，其对奥氏体热稳定性的影响更为复杂。众所周知，奥氏体的大幅变形会导致马氏体转变的起始温度(Ms)点降低，使其不利于马氏体转变，这被称为奥氏体的机械稳定化。研究学者发现小预变形能升高Ms促进马氏体转变，并表明奥氏体失稳来源于预应变引入的更多马氏体形核质点。然而，目前对预应变作用下奥氏体热稳定性的转变机制尚未做出明确解释，这对利用成型预应变对奥氏体热稳定性的主动调控，实现低温应用AHSS的组织调整尤其重要。因此，明确其中的物理转变机制将更有利于设计可以经受预应变的热稳定性用钢。

东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室徐伟教授团队利用原位磁场检测与详细的微观实验从形核与长大的角度揭示了预应变作用下亚稳奥氏体由机械失稳到稳定的转变机制。相关论文“Transitions in the thermal stability of pre-strained austenite – competing effects between defect density and slip band spacing”于近期发表在Scripta Materialia上。文章通讯作者为徐伟教授与王灵禺博士后，第一作者为博士研究生董广起。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2022.115077

塑性应变能在奥氏体晶粒内部引入大量缺陷为马氏体相变提供形核质点，因此影响到奥氏体稳定性。研究学者表明低预应变降低奥氏体热稳定性，这正是由于预应变引入的缺陷为马氏体相变提供了形核位点，而高预应变将会摧毁马氏体的形核质点，使其热稳定性增加。因此，预应变作用下奥氏体的热稳定性转变依赖于预应变引入的缺陷。本文分别从宏观与微观角度探究了预应变下奥氏体内部的缺陷演变规律，结果表明缺陷密度与滑移带数量和应变量呈正相关（图1），但滑移带间距与应变量呈负相关（图2）。

图1：预应变试样的强度与缺陷演变。(a)真应力-真应变曲线；(b)XRD图谱；(c)(200)奥氏体峰演变；(d)奥氏体位错密度-预应变曲线。

图2.(a-e)通过ECCI表征的微观亚结构演变；(f)滑移带间距的小提琴统计图。

在探究了预应变下微观亚结构的演变规律后，文章进一步从Ms和最终马氏体转变量的角度探究了导致奥氏体热稳定转变的主要根源。预应变总是导致奥氏体失稳，并且较高预应变导致奥氏体失稳略微减小（如图3c）。图3d表明马氏体最终相变量随预应变增加达到峰值后大幅下降。这暗示了尽管奥氏体失稳，但必定有竞争因素抑制了马氏体转变。

图3.马氏体转变特征。(a)连续冷处理过程中马氏体体积分数变化；(b) 连续冷处理过程中马氏体转变速率；(c)和(d)Ms和最终马氏体转变量。

本文再次证明了滑移带可以为马氏体相变提供形核位点（图4蓝色方框），这是低预应变导致奥氏体失稳的原因。图4微观组织结构表明P3样品马氏体占据了整个奥氏体晶粒，而P13样品马氏体仅分布于上半部分，并且高预应变下马氏体板条宽度降低，这都表明滑移带对马氏体生长产生了一定的阻碍。总之，奥氏体热稳定性从失稳到稳定的转变归因于缺陷密度与滑移带间距的竞争。

图4.冷处理后的微观结构(a-c: PS-3, d-f: PS-13)。(a)和(d)表面形貌；(b)和(e) α’ IPF Z和背景对比图；(c)和(f)马氏体块宽度统计分布图。

文章首次提出了预应变强化了马氏体的变体选择新观点。马氏体的变体数量与预应变量呈负相关，这主要归因于惯习面与滑移面几乎平行的变体更容易形成。马氏体形核后的生长会被相邻的滑移带阻止，只有首选的变体生长阻较小。该情况类似于奥氏体晶粒细化，当奥氏体晶粒尺寸减小时，变体的数量随之减少。变体选择能有效增加转变过程中的弹性应变能，这揭示了较高预应变减低Ms的原因。

图5.不同预应变样品冷处理后的马氏体变体选择行为。(a)、(b)和(c) α’ IPF Z和背景对比图；(d)、(e)和(f) 各变体的体积分布图。

综上所述，本文通过精细的表征手段定量化实验将马氏体尺寸与变形诱发缺陷的特征联系起来，证明了奥氏体的热稳定性转变来源于缺陷密度与滑移带间距的竞争效应。这一研究成果对指导利用材料成型工艺调整奥氏体内部缺陷，实现对奥氏体热稳定性的主动调控，保证低温服役AHSS的组织需求，优化低温环境服役AHSS的综合性能具有重要意义。

本论文研究得到了国家自然科学基金（52101133和52071066）、中央高校基本科研业务费（N2107005）、中国博士后科学基金（2022M710627）的资助。

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