梯度纳米结构双相不锈钢微观结构与力学性能研究

Gradient nano/microstructures are formed on the surface of a commercial DP3W duplex stainless steel processed by surface mechanical attrition treatment (SMAT). Microstructure characterisation techniques including transmission electron microscopy, scanning electron microscopy and X-ray diffraction are implemented to analyse the gradient nano/microstructures in detail. Nano-indentation and tensile tests are carried out to collect the hardness and strength values of the material, respectively. Detailed investigations of the deformation mechanisms of the material processed by SMAT and tensile tests will provide an in-depth explanation of the superior mechanical properties of the gradient nanostructured material. The success of the project will expand our knowledge in the areas of gradient structured materials and severe plastic deformation, will help us realise the application potentials of gradient structured materials in wide industries.

以商业用DP3W双相不锈钢为材料研究对象，采用表面机械研磨处理（SMAT）的方法将梯度纳米结构引入到双相不锈钢。通过电子显微镜，X-光衍射等技术，详细深入的分析不同梯度片层中的微观结构；通过纳米压痕，拉伸强度测试等手段研究梯度纳米结构引入前后，材料机械性能的变化；将微观结构的演化同材料的机械性能相联系，从而探索梯度纳米结构材料的机械性能上的优缺点。为梯度纳米结构材料的加工，研发和应用提供试验和理论基础。

双相钢属于特殊钢种，拥有优异于单相材料的性能组合，因此在工业上有广泛的应用。然而，由于双相钢的结构和成分复杂，其价格远远高于传统钢种。此外，双相钢碳含量低，所以强度往往不高。作为结构材料，强度和塑性是关键的性能，提高强度和维持塑性是拓展材料应用范围，减少材料消耗，节省开支的重要途经。近年来梯度结构材料的发展迅速，通过超细晶和粗晶结构的有机结合，在不改变材料的成分的前提下，材料的力学性能往往可以得到优化。本项目运用我们团队自主研发的旋转加速喷丸技术，对几种常见的中高合金钢进行了表面纳米化处理，制备梯度纳米结构双相钢。通过一系列的材料表征手段，包括背散射电子衍射，透射电子显微镜，三位原子探针等高精尖技术，对梯度纳米结构双相钢的微观结构进行研究。深入研究了梯度纳米结构双相钢的微观变形机理和强塑性优化机制。研究发现，以2205不锈钢，2507不锈钢和316L不锈钢等高合金钢为例，我们发现变形孪晶对表层纳米晶的形成起着至关重要的作用，在高应变量和高应变速率的驱使下的孪晶交割和晶粒旋转是表层纳米晶形成的主导因素。梯度纳米结构不锈钢的高屈服强度来源于表面的晶粒细化、梯度分布的高密度位错、梯度分布的变形孪晶和应力诱导的马氏体相；而良好的拉伸塑性则来源于芯部的微变形的粗晶、表层的变形孪晶和整体的应变梯度。本项目的开展，实现了多种常见中高合金钢的微观结构和力学性能的优化，为下一步材料使役性能的研究与优化奠定了实践和理论基础。