International Journal of Plasticity发表我院奥氏体不锈钢混晶组织变形协调机制方面的研究成果

2022/2/20 11:24:56

近日，力学与塑性加工领域的顶尖期刊《International Journal of plasticity》在线发表了上海交通大学塑性成形技术与装备研究院崔振山课题组的最新研究成果“A multiscale investigation on the preferential deformation mechanism of coarse grains in the mixed-grain structure of 316LN steel”(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0749641922000298)。博士生李杨齐为论文第一作者，章海明副教授和崔振山教授为该论文的通讯作者。

毫米级粗晶(millimeter-grade coarse grain, MCG)及其混晶组织是316LN钢制大锻件热成形过程中常见的一种缺陷，其存在将严重破坏材料的力学性能，需要对其进行细化消除，否则会给生产以及使用带来不可估量的损失。然而大锻件热成形过程中组织演化异常复杂，当前对于粗大晶粒的细化条件、细化机理认识不清晰，对结构件中混晶组织的消除仍存在一定的盲目性。316LN钢属于单相奥氏体不锈钢，在热变形过程中不发生相变，因此只能通过再结晶手段对混晶组织进行细化，影响再结晶的两类关键因素包括变形和温度。MCG及混晶组织的存在必然会影响材料变形行为和微观组织演化机制。因此，需重点研究混晶组织中的应变配分和宏微观变形机制等关键因素，这些因素，直接影响MCG的再结晶动力学行为。

为此，本研究基于物理实验和晶体塑性有限元模拟探究了含MCG混晶组织的微观变形机理，实验方面采用了介观尺度DIC原位微拉伸技术和基于EBSD滑移迹线分析的间断式微拉伸技术，模拟方面建立了滑移系尺度的Hall-Petch准则和晶粒尺寸增强型硬化模型。实验与数值模拟研究发现，在变形过程中，即使是硬取向MCG，仍会优先于周围软取向细晶发生塑性变形。此外，优先发生变形的MCG还将持续承担主要的塑性变形，并生成覆盖MCG及其周围细晶的大变形带。当变形量较大时，变形带内MCG附近的一些细晶则会承担更多的变形，以协调变形带内的外加变形，并导致强烈的应力、应变局部化。本研究进一步发现，混晶组织中MCG的优先、持续变形机制与其激活滑移系数量的“湖泊”形分布有关，即MCG内部的激活滑移系数小于MCG边界处的激活滑移系数。TEM表征和晶体塑性模拟同时表明，MCG内部在变形早期发生单滑移变形，在大变形时发生主滑移。与晶界分数更多且变形方式为多滑移的细晶区相比，由于与晶界相关的位错增殖和储存较少，以及多滑移场景下位错相互作用引起的加工硬化被削弱，MCG具有较小的初始滑移阻力和加工硬化率，因此呈现出优先、持续发生塑性变形的特点。本研究基于MCG的优先变形机制进一步提出了在有限变形条件下细化混晶组织的可能性，为后续修复结构件中混晶组织的研究提供了理论基础。该研究工作得到了国家自然科学基金(No.51675335, 52075329)和上海市青年科技启明星计划(20QA1405300)的资助。

图1. 介观尺度DIC原位微拉伸获得的3%、25%名义应变条件下MCG试样和均匀细晶试样的Mises应变场分布

图2. 间断式微拉伸获得的25%名义应变条件下MCG试样和均匀细晶试样的表面滑移迹线、晶粒转动以及取向差分析

图3. 四种模拟方案下MCG试样的Mises应变场分布与DIC实验结果的对比情况，方案IV为目标模拟方案

图4. CPFEM模拟得到的MCG试样和均匀细晶试样的激活滑移系数量分布结果

图5. 沿图4中MCG内部黄色箭头方向统计的FCC结构12个滑移系的剪切应变分布

图6. 沿图4中细晶内部黄色箭头方向统计的FCC结构12个滑移系的剪切应变分布

图7. TEM获得的MCG内部位错形貌

图8. 均匀细晶材料和MCG材料的变形机制示意图