層狀多級分布304ss組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能研究.pdf

1、超細晶材料因其在材料中不需另外添加合金元素、高潔凈、回收再利用簡單而成為新世紀先進結(jié)構(gòu)材料的重要研發(fā)方向。超細晶金屬材料的強度遠高于同成分粗晶材料,但其塑性隨晶粒的減小而降低,甚至出現(xiàn)了由塑性轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈缘淖兓?。許多研究結(jié)果都表明塑性惡化或許是納米晶材料的本征特點,這對結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用非常不利。因此,設(shè)計和發(fā)展出一種既具有高強度又能保持良好塑性的細晶材料是當前所面臨的巨大挑戰(zhàn)。目前,對不同制備方法獲得的超細晶材料的組織結(jié)構(gòu)和細化機制已有闡述

2、,但對超細晶材料進一步塑性變形后的組織結(jié)構(gòu)和細化機制尚少有報道。為實現(xiàn)高強高塑的良好結(jié)合,本文采用共溫軋(warm co-rolling)表面機械研磨處理(SMAT)后的304ss,制備出一種納米晶層、亞微米晶層和微米晶層呈周期性分布的層狀納米結(jié)構(gòu)鋼(layered nanostructural steel,LaNa),它具有雙相多尺度晶粒分布的微觀組織結(jié)構(gòu)。重點研究了層狀納米結(jié)構(gòu)鋼的微觀組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能及斷裂機制。利用透射電子顯微鏡

3、(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)等手段系統(tǒng)表征組織結(jié)構(gòu)；采用常溫拉伸試驗機、維氏顯微硬度計測試材料的力學(xué)性能。取得如下結(jié)果：層狀納米結(jié)構(gòu)304ss具有納米晶層、亞微米晶層和微米晶層呈周期性分布特征,由多尺度晶粒分布的奧氏體、馬氏體雙相組織組成。隨著從表面到界面處的深度增加,由等軸、隨機取向的納米晶層逐漸過渡到亞微米晶層,晶粒細化逐漸變得不均勻,再梯度過渡到以亞晶/位錯胞/位錯為主要組織結(jié)構(gòu)的微米晶層。40%軋下

4、量時,納米晶/超細晶層體積分數(shù)約為33%,孿晶層約占33%。而50%軋下量時,納米晶/超細晶層體積分數(shù)約為60%,晶粒細化明顯。溫軋變形的晶粒細化機制為位錯分割機制、動態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶以及γ/α′逆相變機制。層狀納米結(jié)構(gòu)304ss實現(xiàn)了良好的高強高塑結(jié)合,屈服強度為700 MPa~950 MPa,抗拉強度930 MPa~1000 MPa,斷裂延伸率為30%~50%,且均勻延伸率最高可達42%。其強化機制為細晶強化、位錯增殖和應(yīng)變誘導(dǎo)馬氏體

5、相變機制。其良好的塑性是由于微米晶層的位錯累積能力、非局域化的斷裂機制和應(yīng)變誘導(dǎo)馬氏體相變共同作用的結(jié)果,并使其具有明顯的加工硬化能力,加工硬化指數(shù)n最高可達0.47。試驗結(jié)果表明層狀雙相多尺度晶粒分布結(jié)構(gòu)可有效改善納米晶/超細晶材料的塑性。層狀納米結(jié)構(gòu)鋼的室溫拉伸變形行為顯示出了非局域化的變形行為,可細分為五個階段：應(yīng)變硬化、滑移、頸縮傳播、第二次頸縮和斷裂?；茙У某霈F(xiàn)和頸縮傳播是層狀納米結(jié)構(gòu)鋼特有的變形行為。這種特殊的變形行為是由