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

1、超細(xì)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(jì)先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料的重要研發(fā)方向。超細(xì)晶金屬材料的強(qiáng)度遠(yuǎn)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(diǎn),這對(duì)結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用非常不利。因此,設(shè)計(jì)和發(fā)展出一種既具有高強(qiáng)度又能保持良好塑性的細(xì)晶材料是當(dāng)前所面臨的巨大挑戰(zhàn)。目前,對(duì)不同制備方法獲得的超細(xì)晶材料的組織結(jié)構(gòu)和細(xì)化機(jī)制已有闡述

2、,但對(duì)超細(xì)晶材料進(jìn)一步塑性變形后的組織結(jié)構(gòu)和細(xì)化機(jī)制尚少有報(bào)道。為實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)高塑的良好結(jié)合,本文采用共溫軋(warm co-rolling)表面機(jī)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(diǎn)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(jī)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(yàn)機(jī)、維氏顯微硬度計(jì)測(cè)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(jī)取向的納米晶層逐漸過渡到亞微米晶層,晶粒細(xì)化逐漸變得不均勻,再梯度過渡到以亞晶/位錯(cuò)胞/位錯(cuò)為主要組織結(jié)構(gòu)的微米晶層。40%軋下

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

5、相變機(jī)制。其良好的塑性是由于微米晶層的位錯(cuò)累積能力、非局域化的斷裂機(jī)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(dá)0.47。試驗(yàn)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(xì)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(xì)分為五個(gè)階段：應(yīng)變硬化、滑移、頸縮傳播、第二次頸縮和斷裂。滑移帶的出現(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