晶界特征分布优化改善含氮奥氏体不锈钢低周疲劳性能研究

AL6XN super-austenitic stainless steel and high-nitrogen nickel-free austenitic stainless steels with different N contents are selected as the target materials in the present research project. The base specimens and grain boundary engineered (GBEed) specimens will be obtained by using the solid solution treatment and grain boundary character distribution (GBCD) optimization, respectively. Investigations will be focused on the effects of GBCD optimization on the low-cycle fatigue (LCF) deformation and damage behaviors of (1) these two kinds of austenitic steels at high plastic strain amplitudes at room temperature, (2) AL6XN austenitic steel at different high temperatures ranging from 300 to 650 oC, and (3) high-nitrogen nickel-free austenitic steels with different N contents ranging from 0.2 to 0.8 wt.% in the acid corrosion environments with different pH values. Combined with the microstructural analyses by the electron back scatter diffraction (EBSD) in scanning electron microscope (SEM) and by transmission electron microscope (TEM), the resistances of various low Σ coincidence site lattice (CSL) special boundaries induced by GBCD optimization to fatigue cracking under different experimental conditions will be determined and compared, and the effective GBs that can truly bring about an improvement of LCF properties will thus be figured out. In this way, the general rule and micromechanisms for the improvement of LCF properties by GBCD optimization will be systematically revealed. In a word, the present research project provides a new idea and makes an important theoretical basis for the improvement in LCF properties of face-centered cubic (FCC) metallic materials.

本项目拟选取AL6XN超级奥氏体不锈钢和不同氮含量的高氮无镍奥氏体不锈钢作为研究对象，经固溶处理及最佳晶界特征分布（GBCD）优化处理得到原始态和晶界工程处理态的样品。重点研究GBCD优化处理对（1）两种奥氏体钢在高塑性应变幅下的室温低周疲劳变形与损伤行为的影响；（2）对AL6XN奥氏体钢在不同温度（300 - 650 oC）下的低周疲劳变形与损伤行为的影响；（3）对不同氮含量（0.2–0.8 wt.%）高氮无镍奥氏体钢在不同pH值酸液腐蚀环境下的低周疲劳变形与损伤行为的影响。结合扫描电镜电子背散射衍射和透射电镜微观结构分析，明确GBCD优化引入的各种低ΣCSL特殊晶界在不同实验条件下表现出的不同疲劳抗力和真正起到改善疲劳性能作用的有效特殊晶界，进而系统地揭示GBCD优化对两种奥氏体钢低周疲劳性能改善的一般性规律及微观机理，为改善FCC金属材料的低周疲劳性能提供新思路以及重要的理论基础。

本项目系统研究了面心立方（FCC）金属材料（AL6XN超级奥氏体不锈钢、高氮无镍奥氏体不锈钢、Cu-16at.%Al合金、Ni-Cr合金等）晶界特征分布（GBCD）优化的微观机制以及GBCD优化对材料力学性能（尤其是低周疲劳性能）和腐蚀性能影响的一般性规律和微观机理，澄清了GBCD优化对材料抗沿晶损伤性能（如：低周应力疲劳、腐蚀疲劳、高温拉伸、晶间应力腐蚀等）的关键性影响，得到以下主要创新性研究结果：（1）在孪晶团簇（TRD）长大过程中尽可能多地诱发退火孪晶形核是FCC金属实现GBCD优化的关键。TRD的长大是通过应变驱动的随机大角晶界迁移实现的。退火孪晶主要在迁移晶界的后沿形核并随着晶界的迁移而长大。预变形微观结构中的层错和平面滑移型位错结构有利于此过程中退火孪晶的形核，可促进材料的GBCD优化，而变形孪晶结构则会阻碍TRD的长大，不利于材料的GBCD优化。因此，实现FCC合金GBCD优化的最佳预变形量应稍低于变形孪晶形核时的临界变形量；（2）GBCD优化降低了FCC金属（如AL6XN奥氏体不锈钢、高氮无镍奥氏体不锈钢、Cu-16at.%Al合金）的吉布斯自由能，提高了它们的变形稳定性，改善了其拉伸强塑性匹配（尤其在高温下）；（3）GBCD优化对随机晶界网络联通性（GBC）的阻断有效提高了高氮无镍奥氏体不锈钢的沿晶腐蚀和应力腐蚀裂纹扩展阻力，有利于提升其在腐蚀环境下的服役寿命；（4）在室温空气中，GBCD优化引入的高比例特殊晶界有效提高了低层错能FCC合金（如Cu-16at.%Al合金）的循环变形均匀性，并抑制了高应力幅下的沿晶开裂趋势，显著改善了其在高应力幅下的低周疲劳性能；在室温腐蚀环境中，其对GBC的阻断提高了含氮无镍奥氏体不锈钢在小应力幅下疲劳裂纹沿晶界扩展的阻力，显著改善了其在小应力幅下的腐蚀疲劳寿命。. 上述结果深入揭示了FCC金属材料GBCD优化及其对材料力学性能影响的一般性规律及微观机理，为FCC金属材料的强韧化设计与低周疲劳性能改善提供了有益参考和新思路。基于项目研究，共发表SCI学术论文30余篇，授权国家发明专利1项，出版相关教材1部，在重要学术会议上做邀请报告9次，培养博士生4名和硕士生7名。较好地执行并完成了项目的研究计划。