Scr. Mater.亚稳态奥氏体不锈钢低温循环塑性强化增强低温拉伸性能

    亚稳奥氏体不锈钢(MASS)因其在低温下保持高强度和优良塑性的能力而被广泛应用于低温环境中，如低温液体的装载、运输和储存、大型强子对撞机(LHC)和国际热核实验堆(ITER)的结构部件、航空航天等领域。然而，MASS的屈服强度比很低，预应变是提高其屈服强度的有效方法，但同时，它会降低伸长率，并且还需要大的预变形量，当使用条件而不允许大变形时，这可能限制这种预应变方法的应用。因此来自天津大学的Zongchi Wang等研究者提出了一种低温循环塑性强化（CCPS）方法。CCPS方法在低温下进行，用拉压循环小变形代替单调拉伸大变形。作者制备了不同循环应变幅值的强化试样，并进行了试验研究。图1a显示了在110 K下不同应变幅度下304SS的循环应力响应曲线。循环加载开始后，材料快速硬化并达到一定的应力水平，然后保持缓慢硬化趋势，直到试样失效。为了观察循环变形期间材料的变化，选择了振幅为0.5%的循环试验，并在循环10、50和100进行中断试验。在前50个循环中，材料迅速硬化（图1b）。100次循环后，α′-马氏体含量的增长趋势减缓，观察到的晶粒几乎没有变化。13000次循环后，马氏体含量仅从100次循环时的26%增加到33%（图1c），表明相变主要发生在快速硬化的初始循环阶段。基于上述现象，作者在第100个循环中断了循环加载，即CCPS方法。此时，材料已充分硬化，远未达到其疲劳寿命，这可将塑性变形累积造成的损伤降至最低。强化和未强化的试样分别命名为CP0.7%、CP0.6%、CP0.5%、CP0.4%和AR。图2显示了在77K强化前后304SS的低温单轴拉伸性能，可以看出，CCPS显著提高了材料的屈服强度，并能保持优异的均匀延伸率。在低温条件下，AR试样中出现屈服平台，这是因为此时材料中产生了ε-马氏体，是α′-马氏体的形核位置。马氏体形成过程通过滑移带的交错为位错提供了一个窗口，这使得形核过程伴随着相对容易的变形，导致流动应力降低，并形成屈服平台。与AR试样相比，经过CCPS强化后的材料提高了77 K时的屈服强度，并保持了较高的伸长率。结果表明，强化消除了屈服平台，改变了第一次完全形核后快速相变的特性。为了探索CCPS后材料如此优异性能的机理，选择AR、CP0.5%和CP0.7%进行准原位单轴拉伸中断试验，如3图所示。结果表明，CCPS导致部分马氏体相变较早发生，并制备了大量晶体缺陷，使材料得到充分强化。同时，相变的难度、继续相变的能力和不同晶粒的成核位置之间存在微妙的平衡，这使得相变在拉伸过程中均匀稳定地发生，并有助于TRIP效应在后续变形中提高材料的伸长率。

图1 CCPS方法的来源和强化过程：（a）304SS在110K下的循环应力应变响应；（b）CCPS中断点；（c）Δε=0.5%时，α′-马氏体含量随循环次数的变化；（d1，d2），（e1，e2），（f1，f2），（g1，g2）分别在周期0，10，50和100的相同区域的IQ图和相位图。

图2 304SS在77K下强化前后的单轴拉伸性能：（a）工程应力-应变曲线；（b）强化前后的屈服强度和均匀伸长率；（c）真应力应变硬化率曲线。

图3进行中断拉伸试验以解释强化机理：（a–c）中断点和相应的应变硬化率、真实应力和α′-马氏体含量；（d1–d4）、（e1–e4）、（f1–f4）AR、CP0.5%和CP0.7%相同区域内初始状态和中断点的相位图和IQ图的叠加图。

    相关研究成果以“Enhanced cryogenic tensile properties through cryogenic cyclic plastic strengthening in a metastable austenitic stainless steel”为题发表在Scripta Materialia上（Volume 222, 1 January 2023, Article number 115024），论文第一作者为Zongchi Wang，通讯作者为Xu Chen，。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2022.115024