IJP亚稳态奥氏体不锈钢中晶粒尺寸相关的力学行为和TRIP效应

粗晶奥氏体钢的力学行为和马氏体形成趋势与晶粒尺寸的变化尚未被完全揭示。此外，需要通过考虑从超细晶粒（UFG）到粗晶粒的大范围晶粒尺寸来系统研究晶粒尺寸的影响。因此，伊朗德黑兰大学工程学院冶金与材料工程学院的Mohammad等人系统地研究了奥氏体平均晶粒尺寸（从0.5到192 µm）对AISI 304L不锈钢的力学行为和相变诱导塑性（TRIP）效应的影响。拉伸性能分析表明，存在34至90 µm的过渡晶粒尺寸范围，其中观察到极限拉伸强度（UTS）、总伸长率、拉伸韧性、加工硬化能力和屈服比的趋势发生了有意义的变化。例如，总伸长率随着平均晶粒尺寸的增加而增加，直至过渡范围，但在较粗晶粒尺寸处降低。然而，对于整个晶粒尺寸范围，屈服应力遵循Hall-Petch关系，表明过渡晶粒尺寸范围的存在与加工硬化行为有关，特别是TRIP效应。表观层错能随晶粒尺寸的增加而减小，并在过渡晶粒尺寸范围后达到一个平台。对于TRIP效应开始的临界应变，也发现了相同的趋势。此外，将晶粒尺寸增加到该转变范围促进了形变诱发马氏体的形成，随后在较粗晶粒尺寸下抑制了形变诱发的马氏体。与TRIP效应相关的最大加工硬化率也发现了相同的趋势。根据表观层错能对晶粒尺寸的依赖性，解释了力学性能和TRIP效应随晶粒尺寸变化到过渡范围的演变。然而，由于较粗晶粒尺寸下的表观断层能量恒定，剪切带交叉点形成的下降被发现起着重要作用。图1. 退火对80%冷轧AISI 304L不锈钢平均晶粒尺寸的影响，以及一些具有代表性的FESEM图像。

商用AISI 304L（Fe-0.01C-18.6Cr-8.3Ni-1.4Mn-0.1Mo，wt%）不锈钢薄板在冰和水的混合物（0°C）中浸泡，后进行多道次冷轧到厚度减少80%。随后，根据回复/再结晶原理，将板材在850、1000和1150°C下退火不同的保持时间（0.5至480分钟），以获得等轴显微组织，平均晶粒尺寸范围从超细晶粒到粗晶粒，如图1所示。其中，选择了平均晶粒尺寸为0.5、0.8、1.1、2.7、5.6、15、34、62、90、150和192µm的样品。回复/再结晶/晶粒生长退火条件的选择基于先前报告。此外，通过在12.5%至87.5%的轧制中应用不同的厚度减薄，研究了不同晶粒尺寸钢的α马氏体相变。图2.（a）拉伸应力-应变曲线，（b）拉伸数据汇总，（c）加工硬化能力、拉伸韧性和屈服比与平均晶粒度的关系，（d）Hall-Petch型关系，以及（e，f）力学性能与文献数据中的平均晶粒度。

不同平均晶粒尺寸的AISI 304L不锈钢的拉伸应力-应变曲线如图2a所示，拉伸性能总结如图2b所示。强度和延性水平与AISI 304不锈钢力学性能的其他一些文献报告相当。平均粒径为0.5 µm的超细颗粒样品显示出约1.1 GPa的高YS值和45%的相对低延性，与其他工作类似。将晶粒尺寸从0.5 µm增加到1.1 µm导致总伸长率增加，强度降低，特征UFG拉伸曲线消失。平均粒径为2.7 µm的样品可检测到YS（～0.5 GPa）显著下降。然而，如图2a所示，已经实现了显著的加工硬化率、～1GPa的高UTS和～80%的总伸长率。对于2.7至34 µm的晶粒尺寸，可以观察到YS的下降和延性的增加。对于34至90 µm之间的晶粒尺寸，拉伸性能趋势的转变可在图2b中识别（阴影区域）。例如，粒径为34、62和90 µm的样品的总伸长率是可比较的。此外，在该粒度范围之后，UTS的下降更为明显。然而，当晶粒尺寸大于90 µm时，平均晶粒尺寸的增加会导致延性下降，而不是预期的增加。拉伸数据的进一步分析如图2c所示。很明显，在到达过渡区之前，拉伸韧性和加工硬化能力都随着平均晶粒尺寸的增加而增加。然而，在较大的晶粒尺寸下，可以看到这些参数的下降。收益率的趋势明显相反。图2d描绘了YS、UTS和伸长率对平均晶粒度的倒数根的依赖性。可以看出，UTS和伸长率在晶粒尺寸的过渡区以下和之外表现出相反的行为。然而，YS遵循众所周知的Hall-Petch定律，其可由表示。这些结果表明，观察到的行为与塑性变形期间样品的加工硬化行为有关。图3 （a）从图2获得的加工硬化图，（b）临界应变位置和最大加工硬化率，以及（c）加工硬化数据汇总。

根据加工硬化图，还可以研究拉伸变形过程中马氏体的形成。这些图如图3a所示。曲线显示出初始下降趋势，这在许多材料中很常见。然而，在临界应变之后，加工硬化率开始急剧增加，这与TRIP效应有关。在最终加工硬化趋于颈缩之前，每条曲线都达到最大加工硬化率。这些临界点的位置如图3b所示，其中最大加工硬化率（用蓝色圆圈表示）应从纵坐标轴读取，临界应变（用红色正方形表示）应从横坐标轴读取。临界应变和最大加工硬化率取决于晶粒尺寸，如图所示图3c。

相关研究成果以“Grain size dependent mechanical behavior and TRIP effect in a metastable austenitic stainless steel”为题发表在International Journal of Plasticity上（Volume 160，January 2023, article number 103502），论文第一作者Mohammad Javad Sohrabi, 通讯作者为Hamed Mirzadeh。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2022.103502