Acta Materialia：具有纳米孪晶束的异质化纳米结构316L不锈钢断裂行为研究

【引言】

奥氏体不锈钢具有良好的耐蚀性、抗氧化能力，但强度低于300MPa，极大限制了奥氏体不锈钢在工业中的应用。目前，通过塑性应变使晶粒尺寸细化到亚微米甚至纳米来强化奥氏体不锈钢是一种有效措施。但由于高密度位错积聚在孪晶边界以及小晶粒内，应变硬化和强度均匀性大大降低。而目前纳米孪晶束产生的断裂韧化机理还不清楚。

【成果简介】

近日，沈阳金属所的卢磊教授（通讯作者）在Acta Materialia发表最新研究成果“Fracture behavior of heterogeneous nanostructured 316L austenitic stainless steel with nanotwin bundles”。在该文中，研究人员对不同温度下退火以及不同塑性应变的纳米孪晶316L不锈钢断裂韧性进行了测试，揭示纳米孪晶束在纳米晶基体中抵抗破坏的韧化机制，找到最合适的热处理工艺，使其强度和韧性得到最优匹配。

【图文导读】

图1 断裂韧性和拉伸实验所用试样的示意图

图2 DPD 316L不锈钢的TEM图

（a）ε=1.6的DPD 316L不锈钢横截面TEM图

（b）纳米尺寸的变形孪晶

（c）伸长的纳米孪晶基体

图3 ε=1.6的DPD 316L不锈钢720℃退火20min的横截面TEM图

图4 断裂韧性

（a）不同塑性应变下的未处理的DPD 316L不锈钢的载荷-位移曲线

（b）ε=1.6，不同温度下退火的DPD 316L不锈钢的载荷-位移曲线

（c）图（a）对应的J积分-裂纹张开量曲线

（d）图（b）对应的J积分-裂纹张开量曲线

图5 DPD 316L不锈钢试样断裂面SEM图

（a）ε=0.4

（b）ε=1.6

（c）ε=1.6，710℃退火20min

图6 断口形貌分析

（a，b）ε=1.6时断裂件两部分同一位置的断口形貌

（c，d）图（a，b）对应的CLSM图

图7 ε=1.6的DPD 316L不锈钢裂纹尖端形貌图

（a）ε=1.6的DPD 316L不锈钢裂纹尖端的形貌

（b）图（a）中方框b的放大图

（c）图（a）中方框c的放大图

图8 裂纹扩展过程示意图

（a）空位形核并在纳米晶基体中生长

（b）裂纹环绕在纳米孪晶束周围，纳米孪晶束阻碍裂纹扩展

（c）纳米孪晶束受拉，空位在其尖端形核

（d）距离纳米孪晶束一定距离产生剪切裂纹，并最终离开纳米孪晶束

（e）断裂面形成凹凸的酒窝状断面

图9 断裂韧性和屈服强度曲线

【小结】

纳米孪晶束对于抑制纳米晶基体中的空位形成，提高力学性能具有重要作用，同时，纳米孪晶束还能抑制裂纹扩展，极大提高了断裂抗力。通过退火处理，易变粗大的纳米晶粒会转变呈回复晶粒或再结晶晶粒，产生的纳米孪晶束会提高韧化效果。纳米孪晶钢屈服强度能达到1GPa，断裂韧性约为140MPam1/2。

文献链接：Fracture behavior of heterogeneous nanostructured 316L austenitic stainless steel with nanotwin bundles (Acta Materialia, 2018, doi.org/10.1016/j.actamat.2018.02.065)。

本文由材料人编辑部金属组 杨树 供稿，材料牛编辑整理。

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