中科院力学所Mater. Sci. Eng., A: 超细晶粒双相高强度钢超塑性行为的变形机理

【引言】

超细晶粒高强度钢（UFG HSSS）因其优异的机械性能而在汽车行业有着广泛的应用前景。这种超细晶粒高强度钢（UFG HSSS）由于其双相组织和细晶粒尺寸，在工业中较易超塑性成形。然而，HSSS在高温拉伸变形下的超塑性行为和相应的变形机理尚不清楚。

【成果简介】

近日，中科院力学研究所袁福平研究员（通讯作者）在Mater. Sci. Eng., A上发表了一篇题为“Deformation mechanisms for superplastic behaviors in a dual-phase high specific strength steel with ultrafine grains”的文章。该团队研究了在873-973K的温度范围和10^-4-10^-1 / s的宽应变速率范围内具有双相组织和超细晶粒的高强度钢（HSSS）的超塑性行为。在973K温度和10^-3 / s的应变速率下，不连续高温单轴拉伸试验的显微观察结果表明：第一阶段（应变范围从0％到400％）其主要机理为从fcc奥氏体到金属间化合物B2相的晶界滑移扩散转变。第二阶段（应变范围从400％到629％）的主要机制为晶内位错运动。并且观察到亚微米级、相对稳定的双相组织有助于超塑性流动。

【图文导读】

图一 未测试样品微观结构

(a) 未测试样品EBSD相分布图

(b) 未测试样品TEM图；红色为fcc奥氏体，蓝色为B2相；插图为选区电子衍射图样，电子束//[011]_γ & [001]_B2。

图二 HSSS拉伸性能

不同温度以及应变速率条件下的拉伸性能测试：

(a) 873K；

(b) 923K；

(c) 973K；方框表示不连续拉伸试验测试点。

图三 超塑性特性指标

(a) 不同温度下断裂伸长率以及流变应力最大值与应变速率函数，同时给出了973K条件下应变速率敏感指数；

(b) 不同钢种以及金属间化合物归一化变形温度与断裂伸长率函数。

图四 不同条件下EBSD相分布对时间的依赖性

973K，静态退火

(a) 38min；

(b) 72min；

(c) 110min；

973K，应变速率10^-3/s，高温拉伸变形

(d) 38min；

(e) 72min；

(f) 110min；

(g) B2相体积分数对时间的依赖性。

图五 B2相转变指标测定

(a) 静态退火、高温变形条件下B2相晶粒平均尺寸对时间的依赖性，遵循t^-1/2扩散定律；

(b) HSSS钢最大流变应力对数值-10000/T函数；

(c) 变形后的B2相的归一化体积分数对时间的依赖性；

(d) vs lnt曲线。

图六 高温拉伸变形条件下fcc奥氏体相的EBSD IPF图

实验条件：973K，应变速率10^-3/s

(a) ε=0；

(b) ε=200%；

(c) ε=400%；

(d) ε=629%；

(e) 不同应变条件下晶粒尺寸分布；

(f) 不同应变条件下晶界角分布。

图七 高温拉伸变形条件下B2相的EBSD IPF图

实验条件：973K，应变速率10^-3/s

(a) ε=0；

(b) ε=200%；

(c) ε=400%；

(d) ε=629%；

(e) 不同应变条件下晶粒尺寸分布；

(f) 不同应变条件下晶界角分布。

图八 高温拉伸变形条件下fcc奥氏体相的KAM图

实验条件：973K，应变速率10^-3/s

(a) ε=0；

(b) ε=200%；

(c) ε=400%；

(d) ε=629%；

(e) 不同应变条件下的KAM分布图。

图九 高温拉伸变形条件下B2相的KAM图

实验条件：973K，应变速率10^-3/s

(a) ε=0；

(b) ε=200%；

(c) ε=400%；

(d) ε=629%；

(e) 不同应变条件下的KAM分布图。

图十 高温变形试样断口图像

(a) 973K，10^-3/s应变速率条件下高温变形试样断口SEM图像；

(b) 图10(a)矩形区域特写视图。

【小结】

该研究团队研究了HSSS在高温拉伸变形下的超塑性行为和相应的变形机理，得到了以下结论：

1）UFG HSSS显示出优异的超塑性。在973K和10^-3 / s的应变速率下，不连续试验的显微观察结果表明两个阶段对应不同的机理。

2）第一阶段（应变范围从0％到400％），超塑性流动归因于从fcc奥氏体相到B2相的晶界滑移应变增强扩散转变。B2沉淀物的平均尺寸遵循著名的t^-1/2扩散规律，活化能约为216kJ/mol，转变特征指数n接近1.26，表明转变是沿着缺陷进行扩散控制。并且观察到亚微米级、相对稳定的双相组织有助于超塑性流动。

3）第二阶段（应变范围从400％到629％），颈缩扩散导致实际应变率的增加和从中间应变速率区到高应变速率区的转变，因此晶粒内部的位错滑移和攀移为这个阶段的主导机制。

文献链接：Deformation mechanisms for superplastic behaviors in a dual-phase high specific strength steel with ultrafine grains(Mater. Sci. Eng., A, 6 July, 2017, DOI: org/10.1016/j.msea.2017.07.011)

本文由材料人编辑部陈炳旭编译，刘宇龙审核，点我加入材料人编辑部。

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