近期，国际材料领域著名期刊《Materials Characterization》以太原科技大学为第一兼通讯单位发表了材料科学与工程学院秦凤明、杜时丹、李亚杰等人的研究论文“Effects of strain rate on dynamic deformation behavior and microstructure evolution of Fe-Mn-Cr-N austenitic stainless steel”。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.matchar.2024.113975

Fe-Mn-Cr-N奥氏体不锈钢作为电站和航空航天工业的材料，将在高温、高压和交变载荷等恶劣的工作条件下使用。因此，有必要阐明 Fe-Mn-Cr-N 钢在准静态和动态塑性变形过程中的组织演变机制，以确保其在恶劣环境下的安全性。目前，对 Fe-Mn-Cr-N 系奥氏体不锈钢的研究大多集中在静态变形行为上，而对高应变速率塑性变形行为的研究报道较少。因此，研究高温高应变率加载条件下的力学行为具有重要意义。本文采用 Gleeble-3800 和 SHPB 对 Fe-Mn-Cr-N 钢进行了宽应变速率压缩实验，进一步研究了应变速率对其组织演变和力学性能的影响(例如，屈服应力，流变应力和应变硬化能力)。同时，本构模型的建立和最先进的表征方法被用来了解合金变形和强化的潜在机制。

本文亮点

• 研究了应变率对Fe-Mn-Cr-N钢动态热变形行为和微观组织演化的影响，研究了准静态和动态加载条件下应变率对Fe-Mn-Cr-N钢动态热变形行为和微观组织演化的影响。

• 应变率敏感性有三个不同的区域，m 值从0.050 增加到 0.480 和1.507。

• 在低应变率（0.001∼0.1s^-1），微观结构演化以位错滑移和DRV为主。当应变率增加到 2500∼3500s^-1 时，位错滑移和变形孪晶共同协调塑性变形。当应变率为4500∼5500s^-1时，则基于孪晶的 DRX 被激活。

• 改进的J-C模型能够宏观地预测高应变率变形过程中的流动行为，同时考虑了绝热温升的影响。

图1 铸态Fe-Mn-Cr-N 钢的热压缩性能 (a)真应力应变曲线；(b)应变硬化速率曲线；(c)应变速率敏感性(m)；(d)硬度关系

图2在高应变率加载条件下，铸态Fe-Mn-Cr-N钢热变形的IPF、BC+GB(紫色：2-15°，黑色：>15°，红色：Σ3)、晶界取向分布和KAM图 (a₁-a₄) 2500 s^-1；(b₁-b₄) 3500 s^-1；(c₁-c₄) 4500 s^-1；(d₁-d₄) 5500 s^-1

图3 铸态Fe-Mn-Cr-N钢的再结晶图 (a₁-a₃) 0.001 s^-1~0.1 s^-1；(b₁-b₃) 3500 s^-1~5500 s^-1；(c)再结晶分数和Σ3孪晶变化；(d)峰值应力-峰值应变。(黄色：亚结构；红色：变形；蓝色：再结晶)

图4 铸态Fe-Mn-Cr-N在高应变速率下热变形的BC+GB局部放大图。(a) 0.01 s^-1；(b) 0.1 s^-1；(c) 2500 s^-1；(d) 5500 s^-1(紫色：2-15°；黑色：>15°；红色：Σ3)

图5 铸态Fe-Mn-Cr-N钢在不同应变率变形过程中微观结构演变示意图

图6 在动态加载条件下，通过改进的Johnson-Cook (J-C)本构模型进行实验和预测流动行为比较结果

随着应变速率的增加，粗柱状晶内的不均匀流动现象变得更加严重。当应变速率从2500 s^-1增加到3500 s^-1时，显微组织以变形晶粒为主，并伴有大量平行变形带和变形孪晶。当应变速率增加到4500 s^-1时，变形带中有大量动态再结晶晶粒和少量退火孪晶形核。5500 s^-1变形的试样中，变形带已被再结晶的等轴晶粒和退火孪晶占据。随着应变速率的提高，大角度晶界显著增加，尤其是Σ3孪晶。因此，孪晶再结晶机制占主导地位。在应变速率为5500 s^-1时，HAGB和LAGB的比例分别为56.23%和43.77%，其中Σ3孪晶界数量占比达到11.16%。因此，位错滑移和孪晶共同协调在动态加载条件下的高应变率的塑性变形。在动态再结晶过程中，高密度几何位错和亚晶逐渐转变为动态再结晶等轴晶的HAGB。修正的J-C模型证明了实验数据与模型拟合的一致性，平均误差在2.5%左右，表明用温升修正的J-C模型可以准确预测Fe-Mn-Cr-N钢在高应变速率加载下的应力-应变关系。