局域变形下微纳米梯度结构不锈钢细化机制和断裂行为研究

According to Hall-Petch equation, a smaller grain size results in a higher strength. The refined grain size depends on the stacking fault energy ( SFE ) of the materials and the degree of plastic deformation. It is generally reported that low SFE and large plastic deformation can reduce the minimum grain size. However, in our previous work, we found an inverse relationship of the minimum grain size with the strain rate, where the grain size increases with the increase of strain rate. At the same time, the linear relationship of SFE with limit grain size is weakened. Unfortunately, the present grain refinement mechanisms developed in the severe plastic deformation can not explain these phenomena. In this project, we shall use a local plastic deformation method of surface mechanical attrition treatment (SMAT) to prepare a gradient structure with multi-scaled grain distribution in austenite stainless steels. The relationship of minimum grain size with the strain rate and SFE are investigated. The Hall-Petch relationship of austenite stainless steels with different SFE shall also be explored. Our research shall focus on the grain refinement mechanisms of local plastic deformation to explain the intrinsic nature of high strain rate with large grain size.The microstructure evolution and mechanical properties of the austenite stainless steel with multi-scaled structure shall be systematically studied.The austenite stainless steel with gradient structure should present high yield strength of 1000-1400 MPa,ultimate strength of 1200-1800 MPa,as well as large ductility of 20-30%. We shall pay more attention on the study of the coordination deformation mechanisms of the multiscaled structure, and fracture behavior of crack initiation and propagation by in situ SEM observing. This gradient structure can achieve an excellent combination of hard and soft structure to solve the common problem of high strength and low ductility of nanomaterials, and provide a new strategy to produce high performance austenite stainless steel.

材料屈服强度与晶粒尺寸符合Hall-Petch关系，即晶粒尺寸越小材料强度越高。普遍认为低的堆垛层错能（SFE）和大塑性变形可减小晶粒极限尺度。但本项目的前期研究工作发现，局域塑性变形中晶粒极限尺寸与应变速率增加呈反向关系，同时也不存在极限晶粒尺度与SFE的线性关系。现有的晶粒细化机制不能解释这种现象。本项目拟采用局域塑性变形方法在奥氏体不锈钢中制备出具有梯度晶粒尺寸分布的结构。研究应变速率和SFE与晶粒极限尺度之间的规律，探讨不同SFE奥氏体不锈钢Hall-Petch关系及其影响因素，分析局域塑性变形细化机制。同时，对多尺度结构奥氏体不锈钢进行组织演变分析和力学性能测试，研究梯度组织的协调变形机制以及裂纹萌生、扩展机制。此结构将充分发挥纳米晶的高强度特点，同时利用粗晶的高塑性、加工硬化来钝化和阻滞裂纹扩展，实现软硬结合，使奥氏体不锈钢的强塑性达到最佳配合，为高性能不锈钢的制备提供新思路。

梯度材料通常拥有吸引人的力学性能，远胜过匀质材料。梯度微观结构组成可由不同的晶粒大小、不同的孪晶间距或是同时具有微米级或纳米级的晶粒和孪晶。梯度分级微观结构被推测且已经被实验证实，拥有在材料科学中可解决强度和延展性这个矛盾体。不同于传统材料，制备高度成型的梯度微观结构及复杂的分级微观材料是非常困难的，这使得研究梯度材料的强化变形机制异常棘手，极具挑战性。.本项目采用局域塑性变形方法在奥氏体不锈钢中制备出具有梯度结构材料。研究应变速率和SFE与晶粒极限尺度之间的规律，探讨奥氏体不锈钢变形机制其影响因素。详细分析了组织演变、细化机制和强化机制。在力学性能测试的基础上，研究梯度组织材料的协调变形机制以及裂纹萌生、扩展机制。采用表面机械研墨处理技术（SMAT），在不同冲击速率下处理304不锈钢，发现随着冲击速率的提高，材料的屈服强度（540-1000 MPa）和抗拉强度（810-1100 MPa）均表现出明显的改善。同时，断裂延伸率也随之提高（65-35%）。SMAT处理301 不锈钢，其屈服强度最高可达1280 MPa和抗拉强度为1600 MPa，同时仍保持良好的延伸率（23%）。低冲击速率有利于细化，但高应变速率诱发了孪晶变化，同时抑制了马氏体相变，导致晶粒尺寸（250 nm）不能细化到纳米尺度。理论预测和实验观察表明，局域变形条件下诱发孪晶变形的临界应力为587 MPa，且应力水平越高，孪晶密度越高，孪晶片层间距越小。在304钢中制备出了四种梯度微观结构，利用亚微量孪晶，纳米孪晶，替代纳米晶、超细晶和粗晶结构，获得了突出的强韧性结合。其中，纳米孪晶和微米孪晶梯度结构具有特殊的硬化速率，表现为持续的、稳定硬化率，导致它的归一化韧性比其他结构材料高于1.5倍。断口结构分析表明，纳米孪晶变形后仍存在大量的纳米孪晶，而亚微尺度的孪晶则以马氏体相变为主，在孪晶片层中成核和扩展。对多尺度结构奥氏体不锈钢的断口形貌的观察，揭示了非匀质结构协调变形机制以及断裂过程。此项研究推动了纳米材料结构与性能本征关系的基础研究，提出了新的梯度设计方案，为设计新型轻量化材料提供了新的思路和设计方法。