Acta Materialia：具有納米孿晶束的異質化納米結構316L不銹鋼斷裂行為研究

【引言】

奧氏體不銹鋼具有良好的耐蝕性、抗氧化能力，但強度低于300MPa，極大限制了奧氏體不銹鋼在工業中的應用。目前，通過塑性應變使晶粒尺寸細化到亞微米甚至納米來強化奧氏體不銹鋼是一種有效措施。但由于高密度位錯積聚在孿晶邊界以及小晶粒內，應變硬化和強度均勻性大大降低。而目前納米孿晶束產生的斷裂韌化機理還不清楚。

【成果簡介】

近日，沈陽金屬所的盧磊教授（通訊作者）在Acta Materialia發表最新研究成果“Fracture behavior of heterogeneous nanostructured 316L austenitic stainless steel with nanotwin bundles”。在該文中，研究人員對不同溫度下退火以及不同塑性應變的納米孿晶316L不銹鋼斷裂韌性進行了測試，揭示納米孿晶束在納米晶基體中抵抗破壞的韌化機制，找到最合適的熱處理工藝，使其強度和韌性得到最優匹配。

【圖文導讀】

圖1 斷裂韌性和拉伸實驗所用試樣的示意圖

圖2 DPD 316L不銹鋼的TEM圖

（a）ε=1.6的DPD 316L不銹鋼橫截面TEM圖

（b）納米尺寸的變形孿晶

（c）伸長的納米孿晶基體

圖3 ε=1.6的DPD 316L不銹鋼720℃退火20min的橫截面TEM圖

圖4 斷裂韌性

（a）不同塑性應變下的未處理的DPD 316L不銹鋼的載荷-位移曲線

（b）ε=1.6，不同溫度下退火的DPD 316L不銹鋼的載荷-位移曲線

（c）圖（a）對應的J積分-裂紋張開量曲線

（d）圖（b）對應的J積分-裂紋張開量曲線

圖5 DPD 316L不銹鋼試樣斷裂面SEM圖

（a）ε=0.4

（b）ε=1.6

（c）ε=1.6，710℃退火20min

圖6 斷口形貌分析

（a，b）ε=1.6時斷裂件兩部分同一位置的斷口形貌

（c，d）圖（a，b）對應的CLSM圖

圖7 ε=1.6的DPD 316L不銹鋼裂紋尖端形貌圖

（a）ε=1.6的DPD 316L不銹鋼裂紋尖端的形貌

（b）圖（a）中方框b的放大圖

（c）圖（a）中方框c的放大圖

圖8 裂紋擴展過程示意圖

（a）空位形核并在納米晶基體中生長

（b）裂紋環繞在納米孿晶束周圍，納米孿晶束阻礙裂紋擴展

（c）納米孿晶束受拉，空位在其尖端形核

（d）距離納米孿晶束一定距離產生剪切裂紋，并最終離開納米孿晶束

（e）斷裂面形成凹凸的酒窩狀斷面

圖9 斷裂韌性和屈服強度曲線

【小結】

納米孿晶束對于抑制納米晶基體中的空位形成，提高力學性能具有重要作用，同時，納米孿晶束還能抑制裂紋擴展，極大提高了斷裂抗力。通過退火處理，易變粗大的納米晶粒會轉變呈回復晶粒或再結晶晶粒，產生的納米孿晶束會提高韌化效果。納米孿晶鋼屈服強度能達到1GPa，斷裂韌性約為140MPam1/2。

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

本文由材料人編輯部金屬組 楊樹 供稿，材料牛編輯整理。

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