Science&Acta Mater：利用位错工程调控金属材料的力学性能

1. 位错工程简介

位错作为微观缺陷的一种，可以提供优化合金力学性能的一种途径。泰勒硬化定律只规定了以牺牲塑性为代价的高位错密度强化效果。然而，观察到的各种位错形态具有非均质性，这可能会提高综合力学性能。因此，许多研究者开始着手设计位错分布和结构。他们主要从事两个方面的研究:(1)控制位错形态;(2)揭示位错形态与力学性能之间的关系

2. 位错控制

到目前为止，位错形态与分布的控制可以通过以下技术来有效的实现：

1）固溶偏析

固溶偏析是控制位错最有效的方式之一，位错在遇到固溶原子后，会在固溶原子附近偏聚，形成柯氏气团，柯氏气团会阻碍位错的运动，从而可以有效的强化合金。例如，氢不仅降低了位错的成核力和传播力，而且激活了额外的滑移面。氢还能加速Ni形成小的位错胞和致密的位错壁。在钢中，碳、Mn原子向位错和GBs的偏析是奥氏体形核和生长的先决条件。

2）阻碍位错运动

具有非均质特性的位错在材料变形中其着重要的作用。位错胞具有良好的阻位错能力，增强了合金的应变硬化性能。另一方面，位错通道使位错通道或与GBs的交叉处的应变局部化。这种局部化引发了相变，形成了偏析结构。另外。还可以通过降低动态位错恢复率来提高塑性。

3）位错通道

另一方面，位错通道使位错通道或与GBs的交点处的应变局部化。这种局部化引发了相变，形成了分区结构。

4）位错胞

位错胞具有良好的阻位能力，增强了合金的应变硬化性能。

3. 重要文献解读

1）M. Kuzmina, M. Herbig, D. Ponge, S. Sandlöbes, D. Raabe. Linear complexions: Confined chemical and structural states at dislocations. Science. 2015 • VOL 349 ISSUE 6252

金属由于其延展性和强度一直是人类最重要的材料。称为位错的线性缺陷携带原子剪切步骤，使金属材料具有可成形性（塑性）。该文主要报告了一种封闭在位错周围的化学和结构状态。在具有提心立方的Fe-9%Mn合金中，发现在热处理过程中Mn偏析位错核附近在，随后形成面心立方区，但没有进一步生长。该区域与基体处于平衡状态，并局限于具有共格界面的位错核内。这种现象类似于界面稳定的结构状态，称为表面状态。对合金进行变形发现一立方米的应变合金包含了非常多的位错，其密度非常之高，这表明合金元素在位错附近偏析形成的这种“线性表面”具有强化作用，可以通过偏析和限制的结构状态发展纳米结构并强化合金提供机会。

图1 Fe-9 % Mn固溶体，50%冷轧，在450℃退火6小时，以引发Mn偏析。(A)亮场STEM图像；(B)采用12.5原子% Mn等浓度表面(选取12.5原子% Mn作为阈值，突出Mn富集区域)(A)中相同尖端的原子探针相关层析结果。蓝色箭头标记的晶界和位错线STEM显微图和原子探针层析图中都是可见的。并非所有在STEM可见的位错在原子探针数据中也可见，反之亦然(红色箭头)。C) (A)和(B)覆盖；(D)放大从(B)取的两个分区；(E)沿1(垂直于位错线)和2(沿位错线)的1D组分剖面[1].

2）B. B. He, B. Hu, H. W. Yen, G. J. Cheng, Z. K. Wang, H. W. Luo, M. X. Huang. High dislocation density–induced large ductility in deformed and partitioned steels. Science 357, 1029–1032 (2017)

对中锰钢采用多道次轧制+回火工艺，得到了亚稳奥氏体镶嵌在马氏体基体上的双态微观组织。首先马氏体相变在材料内部引入了大量的位错，同时某些针状体内部还含有孪晶出现。另外，材料经过多道次的塑性变形，材料具有极高的位错密度，而后面的回火并不会消除位错，仅仅使得位错被固溶元素分成不同的区域。大量的位错堆积于晶界处并在变形时相互作用，使得材料的屈服强度提高。研究还发现材料的塑性不降反升，这主要归功于以下几个原因：（1）拉伸前的材料经过冷轧，位错重新排列转变形成了许多个位错胞，在拉伸时，位错胞的可动和不可动螺型位错发生滑动，部分位错会被释放，导致晶界解析崩塌，在外力作用下原位错胞被拉长，位错的滑动与释放是塑性提高的一个重要原因。（2）微观结构中大的奥氏体晶粒阻碍了滑动的马氏体界面，从而起到稳定作用，反过来位错密度较高的马氏体又保护了奥氏体，在加上合金元素，例如C等对位错区的划分，这样位错在变形过程中处于一种相对稳定的状态，提高了塑性。（3）连续的转变诱发效应，例如残余应力在两种组织之间的相互过渡能够减小局部应变集中，提供动态应变分区，从而提升了塑性。（4）孪晶的出现也会导致塑性的提升。

图2  D&P钢拉伸试验后的微观组织；A 拉长的位错胞结构；B 不同应变下XRD的衍射图谱；C 材料断裂后在粗大的奥氏体晶粒中形成针状马氏体；D 材料变形断裂后在亚微米奥氏体中形成的孪晶[2]

3）Gutierrez-Urrutia, D. Raabe. Multistage strain hardening through dislocation substructure and twinning in a high strength and ductile weight-reduced Fe–Mn–Al–C steel. Acta Materialia 60 (2012) 5791–5802

采用透射电子显微镜和扫描电镜结合电子背散射衍射研究了Fe-30.5Mn-2.1Al-1.2C (wt.%)钢在拉伸变形过程中的变形组织演变及其对应变硬化的影响。该合金具有良好的强度和塑性结合(极限抗拉强度为1.6 GPa，断裂伸长率为55%)。作者从位错亚结构的细化和形变孪晶的激活来解释这种行为。早期硬化阶段完全由位错亚结构的大小决定，即泰勒格、胞块和位错胞。固溶中高碳含量对位错亚结构的演变有显著影响。将这种影响归因于溶质碳降低了位错交叉滑移的频率。随着外加应力的增加，交叉滑移频率增大。这导致从平面(泰勒格)到波浪形(细胞、细胞块)位错构型的逐渐转变。这种位错亚结构的尺寸与所施加的分解应力成反比。我们没有观察到所谓的微带诱导塑性效应。在这种情况下，由于织构效应，微带在拉伸变形过程中不受支持，因此，对应变硬化没有影响。

图3变形为0.1真应变/710 MPa样品的位错形态；(a)由堆积位错组成的滑移带沿原生滑移系滑动并穿过晶粒内部；(b)两个非共面滑移系构成的泰勒格；(c)沿主滑移系在晶界处成核形成的HDDWs；(d)高倍放大的高分辨率弱束透射电镜图像[3]。

4）A. Kwiatkowski da Silva, G. Inden, A. Kumar, D. Ponge et al. Competition between formation of carbides and reversed austenite during tempering of a medium-manganese steel studied by thermodynamic-kinetic simulations and atom probe tomography. Acta Materialia 147 (2018) 165-175

本文研究了冷轧Fe-7Mn-0.1C- 0.5Si中锰钢在低温回火过程中碳化物析出的热力学和动力学。材料在450℃保温24小时，以确保相的析出。利用热力学和动力学模拟，根据局部平衡可忽略分配(LENP)模式预测M23C6碳化物的生长，该模式下碳化物的生长由碳的扩散控制，同时保持界面的局部化学平衡。对在450℃/1、6和24h进行处理的样品进行原子探针分析，发现LENP是碳化物生长的地方且需要Mn元素的偏析。此外，本研究还观察到在偏析位错和晶界处碳含量在6 ~ 8%之间的过渡碳化物的非均相形核。作者将这些碳化物描述为一种复杂的面心立方过渡碳化物(CFCC-TmC相)，它是由碳的FCC结构过饱和而形成的，它将成为更稳定的γ-M23C6碳化物的前驱体，在位错和晶界处形成。碳的结果表明,添加C不直接支持奥氏体的形成,由于锰被形成的碳化物和奥氏体的成核,从而推迟到后期每FCC核的回火回火的最初阶段很容易转化成一个硬质合金核。为此，研究者提出以下过渡序列：(i)碳和锰共偏析至位错和晶界;(ii) FCC过渡碳化物的形成;(iii)根据LENP模式控制的生长和(iv)奥氏体形核和生长。

图4 APT 分析，Fe7Mn0.5Si0.1C合金，经过冷轧，在450℃/24h回火。(a)原子探针重建显示碳(棕色)和锰(黄色)离子与C和Mn的二维浓度图:我们观察到界面附近的局部平衡区变厚，晶界中存在一些过量溶质；(b)有关区域的一维浓度详细剖面图载于(a)；：(c) 7 at% Mn等值面显示从位错和晶界形成碳化物；（d）通过(c)中等值面显示的碳化物获得的Proxygram[4]。

参考文献：

[1] M. Kuzmina, M. Herbig, D. Ponge, S. Sandlöbes, D. Raabe. Linear complexions: Confined chemical and structural states at dislocations. Science. 2015 • VOL 349 ISSUE 6252.

[2] B. B. He, B. Hu, H. W. Yen, G. J. Cheng, Z. K. Wang, H. W. Luo, M. X. Huang. High dislocation density–induced large ductility in deformed and partitioned steels. Science 357, 1029–1032 (2017).

[3] Gutierrez-Urrutia, D. Raabe. Multistage strain hardening through dislocation substructure and twinning in a high strength and ductile weight-reduced Fe–Mn–Al–C steel. Acta Materialia 60 (2012) 5791–5802.

[4] A. Kwiatkowski da Silva, G. Inden, A. Kumar, D. Ponge et al. Competition between formation of carbides and reversed austenite during tempering of a medium-manganese steel studied by thermodynamic-kinetic simulations and atom probe tomography. Acta Materialia 147 (2018) 165-175.

本文由虚谷纳物供稿。

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