《Acta Materialia》：亚稳态奥氏体不锈钢的动态应变时效机理！

2021-06-08 16:55:44 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

柯氏气团最早由Cottrell发现并提出，钢在一定环境下会形成富含间隙原子的原子气团，这是导致铁素体钢出现不连续屈服和屈服点较高的原因。在低堆垛层错能（SFE）材料的塑性变形过程中，形成的柯氏气团会导致应力不连续。20世纪初首次研究了金属中的不连续塑性流动，后续提出了模型解释锯齿状应力-应变曲线，这种现象被称为Portevin-LeChatelier （PLC）效应。动态应变时效（DSA）是由溶质原子的柯氏气团反复形成引起的。有报道提出，在常温下的DSA发生在变形诱发的马氏体相变（DIMT）的奥氏体不锈钢中，但是没有马氏体中间隙扩散影响不连续塑性流动的物理解释，现阶段对于DSA在钢中的产生机理仍不明确。

德国奥斯纳布吕克大学的研究人员通过宽温度范围内的拉伸试验结果，阐明了高碳奥氏体不锈钢Fe-13Cr-3.4Mn-0.47C中DSA的作用机理，提出了一种新的物理模型，解释了DIMT和DSA之间的关系，探讨了DSA的可能起源。相关论文以题为“Dynamic strain aging mechanisms in a metastable austenitic stainless steel”发表在Acta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116888

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本文使用的Fe-13Cr-3.4Mn-0.47C钢在真空感应炉中熔化铸造，凝固后将铸锭热锻成直径12mm的棒材。拉伸试验温度在室温至500℃范围内。研究发现DIMT诱导DSA发生遵循以下过程：不锈钢中DSA的激活能与马氏体中碳扩散的激活能相似。马氏体中碳快速扩散到奥氏体的边界还导致部分奥氏体转变成非热马氏体并在一定温度下具有短时热稳定性。在部分转变的微结构中，马氏体边界附近的区域可作为其他马氏体板条潜在形核质点，因为它们含有高位错密度。这种区域容易被马氏体扩散的碳原子所束缚，从而增加了形成马氏体所需的过冷度。根据对DSA的解释，DIMT的出现是否会引起锯齿状流动，取决于马氏体中碳的浓度和扩散性，DIMT的动力学以及奥氏体/马氏体边界的区域取决于马氏体的大小和分布。

图1 不同温度下拉伸试验的应力-应变曲线和局部放大图

图2 预应变20%时的应力应变曲线和经预应变后拉伸的应力应变曲线

图3 （a,b）室温拉伸后的微观结构；（c）350℃预拉伸20%；（d）350℃预拉伸20%后在室温下拉伸至断裂

通过预应变对变形诱发马氏体细化的影响及其在室温下拉伸变形时的分布更均匀，可以得出在一定温度下预应变会增加室温拉伸中的DSA。在250℃和300℃下，尽管没有形变诱发马氏体，但仍会产生不连续屈服，这是由于碳原子在奥氏体中的充分迁移进而钉扎位错。在400℃和450℃拉伸时高达20%的应变都未观察到锯齿现象。稳定的塑性流变导致此温度范围内具有平滑的变形曲线，这是由碳原子的高扩散性导致引起。而500℃的曲线出现锯齿表示不连续屈服重新出现，归因于位错与合金元素C和Mn原子的动态相互作用。