超细晶高氮钢微观组织的损伤愈合行为与力学性能研究

The ultrafine-grained or nano-grained metallic materials via severe plastic deformation (SPD) usually show high strength, limited ductility and low work hardening ability. The key reason may be attributed to the defects (damages) accumulating phenomenon during the grain refinement process. In this proposal, we will utilize an electropulsing treatment (EPT) technique to heal the defects in a nano-grained high nitrogen streel (HNS) processed via high pressure torsion (HPT). The microstructure in HPT-HNS contained defectes, i.e. dislocation，shear band，micro-void and micro-crack, will be characterized before and after EPT treatment by 3D-XRT, SEM and TEM. We will uncover the evolution of defects during EPT and the physical nature of electron induced healing behaviors of various defects. The optimized healing conditions for HPT-HNS via EPT will be discovered after systematic studying the influences of current density, healing time, temperature raise, and EPT circle etc.Meanwhile, the influences of the size, density, and distribution of damage-zone or the healed-damage-zone on the deformation and fracture behaviors of the HNS will also be studied. Then the ideal microstructure for the HNS will be expired. The results will reveal the electron induced healing mechanism for the nano-grained material, and may be significant for developing a new pathway for obtaining nano-grained materials with excellent mechanical properties.

通过严重塑性变形方法制备的超细晶、纳米晶金属材料往往具有强度愈高、塑性愈低、加工硬化能力愈低的特点，其原因在于变形时材料的微观结构不断被细化，同时也逐步累积了各种损伤。如何对这种材料进行损伤愈合处理以同步提升其强塑性逐渐引起了人们的广泛关注。本项目采用高密度脉冲电流方法（EPT）对经过高压扭转方法（HPT）制备的纳米晶高氮钢进行微观损伤愈合处理，通过聚焦离子束精确对损伤愈合区进行样品制备并结合X射线三维成像、扫描电镜、透射电镜等表征方法对材料内部的位错、剪切带、微孔洞和微裂纹等损伤在EPT前、后的组织特征进行多尺度表征，揭示其演化规律与愈合物理机制，同时探索高效损伤愈合的实验条件。同时，研究损伤区与愈合区对材料后续变形、断裂行为的影响，探索具有优异力学性能的理想微观结构特征。研究成果将揭示金属材料内部损伤的电致愈合机制，发展一种优化纳米金属材料力学性能的新方法。

本项目主要采用大塑性变形工艺结合高能量脉冲电流技术(EPT)来调整及优化几种先进奥氏体钢铁材料的微观组织与力学性能，深入探索了EPT工艺促进钢铁组织损伤进行愈合行为的物理机理，有望促进EPT工艺在钢铁材料与构件的加工制备、损伤愈合方面的应用。首先，采用了高压扭转技术（HPT）制备了纳米晶的高氮奥氏体不锈钢（HNS），并利用EPT对HNS微观组织进行损伤愈合处理。研究了不同电压、不同处理次数对HNS样品微观组织优化与力学性能演化的影响规律。经过优化EPT参数，成功获得了完全再结晶的超细晶的HNS，通过室温拉伸试验进一步证明了其优良的强度与塑性匹配的力学性能。采用背散射电子衍射（EBSD）、透视电子显微技术（TEM）等表征方法，研究了HNS在EPT下的损伤愈合机制。与此同时，分析比较了EPT与退火工艺对HNS微观组织与力学性能的异同：相同之处在于都可以获得再结晶组织，不同之处为EPT可以有效愈合损伤且能抑制析出相的产生，而退火工艺较难愈合损伤且可能促进析出相的产生。其次，本项目还利用冷轧工艺与EPT工艺相结合，优化了316L奥氏体不锈钢的微观组织与力学性能，探索了其组织演化与力学性能优化规律，发现了EPT导致其硬化与软化现象。通过组织分析证实了较低能量的EPT处理导致了材料硬化，其机制为可动位错的减少与纳米片层结构的稳定存在所导致。当输入高能量EPT时会使材料迅速发生软化，其机制为再结晶晶粒的产生、增加及快速长大。此外，本项目还利用预拉神方法对TWIP钢进行了应变硬化处理，在材料组织中获得了丰富的变形孪晶及微米尺寸的孔洞与裂纹。通过EPT处理可以有效愈合这些微米尺寸的裂纹与孔洞，从而高效地恢复了TWIP的加工硬化能力与塑性变形能力。采用准原位的3D-XRT表征技术从实验上证明了EPT有效愈合孔洞及微裂纹的物理机制主要是：EPT过程中材料损伤处有较高的温升从而促进了其发生优先再结晶现象，另外由于热膨胀不匹配导致的热压应力可有效压合孔洞或微裂纹。