微米/纳米双峰尺度逆转变奥氏体组织控制及形变机制

Compared with the traditional medical metal materials, micrometer/nanometer scale grained structures reverse transformation austenite stainless steel that produced by strain induced martensite technique has the excellent combination of strength and plasticity and biocompatibiliby. However, can not precisely control the ratio of the two scales microstructure and ensure its stability in subsequent molding process is the bottleneck of the technology.The present work proposed to improve a kind of reverse phase transformation of induced martensite control technique by Nb microalloying, warm rolling and ultra rapid annaling. Therefore, this work prepared a kind of micrometer/nanometer bimodal grian size distribution contral reverse transformation austenite sample,the properties and structure change of sample under the action of force or heat were analyzied by in situ tensile and the microstructure observation, the crystal orientation, interface morphology, and dislocation configuration change in different scales structure were observed simultaneously by electron back-scattered diffraction, nanomechanical probe and transmission electron microscopy, the interrelationship of different microstructure evolution and properties were elucidated from macrocopical, microcosmic and nanogeometric level, the synergistic effect mechanism of two scales of structure in the plastic deformation was also clarified. The results of this work can provide theoretical guidance and technical support for the development of good plasticity and biocompatibiliby metal material and its rational application.

与传统医用金属材料相比，采用应变诱导马氏体逆相变技术制备的微米/纳米复合结构的奥氏体组织不锈钢具有优良的强塑性与生物相容性。但是，实现精准控制两种尺度组织比例并确保其在后续成型过程中的稳定性是该技术无法克服的瓶颈。本工作拟通过Nb微合金化，结合温轧变形及超快速退火，探索一种新型马氏体逆相变控制技术,制备出具有微米/纳米双峰尺度分布可控的奥氏体不锈钢样品。通过原位拉伸并结合组织观察，明确样品在外力作用下的性能与结构变化，并利用电子背散射衍射、纳米力学探针、透射电镜等分析手段对不同尺度组织内晶体取向、界面形态、位错组态的变化进行观测分析，从宏观、微观和纳观等角度阐明不同层次显微组织演变与宏观性能之间的内在联系，揭示塑性变形过程中微米和纳米两种尺度组织协调变形机制。该工作成果可为开发具有良好强塑性兼具生物相容性的金属材料制备技术及其合理应用提供理论依据和技术指导。

利用应变诱导马氏体逆转变控制技术可以获得具有微米（超细晶）/纳米复合结构的逆转变奥氏体组织，此类型组织构成的不锈钢不仅具有良好的强塑性匹配，而且具备良好的生物相容性，有望作为新一代生物医学材料用于人工骨骼、人工关节和修复动脉瘤的弹簧圈。本项目围绕关键技术和科学问题，开展系统实验和理论研究，包括：（1）微米/纳米双峰尺度结构组织制备技术研究；（2）微米/纳米双峰尺度奥氏体组织稳定性研究；（3）微米/纳米双峰尺度亚稳奥氏体塑形变形机制的多尺度分析。. 马氏体含量与应变量并非是线性关系，而是存在一定的孕育期，应变诱导马氏体相变集中发生在大变形阶段。应变诱导马氏体的逆转变的的驱动力明显高于变形奥氏体的再结晶的驱动力，这就使得应变诱导马氏体的逆转变优先于变形奥氏体的再结晶。从而获得比例可控的微米/纳米双峰组织。Nb的加入显著提高了试样完全再结晶的温度区间，延长了再结晶所需的保温时间，使得再结晶可以在较高的和较宽的时间范围内进行，同时细化晶粒效果明显。结合微米/纳米复合组织的优良力学性能可以得到，1-10μm的较大晶粒首先发生塑性变形，推迟了小晶粒内塑性变形的发生，大晶粒也可释放小晶粒周围的应力而减缓裂纹的萌生和生长，提高了材料的延展性，而小于1μm小晶粒则主要提供了较高的强度。随着变形量的增加，晶粒尺寸较大的奥氏体率先转变。微米晶首先发生塑性变形，当变形量较小时，通过大晶粒拉长来释放应力，此时大晶粒充当软相，当形变量超过一定值后，主要依靠纳米晶奥氏体扭转、变形和微米晶奥氏体应变诱发马氏体两者的相互作用，来增加其塑性。该工作成果为开发具有良好强塑性兼具生物相容性的金属材料制备技术及其合理应用提供了理论依据和技术指导。