非均匀层片纳米结构低碳钢的应变硬化机理研究

The wide application of nanostructured metals is usually limited due to the lack of strain hardening ability. In this regard, it has academic significance to design heterogeneous nanostructured metals with both high strength and good ductility, and is also important to investigate the corresponding strain hardening mechanism. In this project, the heterogeneous lamella nanostructured plain carbon 10# steel is designed and fabricated by using cold rolling/asymmetric rolling followed by the critical annealing treatments. Then the mechanical properties of the heterogeneous 10# steel are obtained by uniaxial tension, loading-unloading-reloading test, stress relaxation test, in situ SEM and high energy X ray tensile tests. The microstructural evolutions (e.g., the grain sizes and volume fractions of dual phases, texture, dislocation structures) during plastic deformation are investigated. The relationship between the mechanical.responses and the microstructure evolutions is established by investigating the strain hardening mechanisms due to back stress in heterogeneous lamella dual phase steel. The stress and strain partitioning between the heterogeneous constituents,the strain accommodation at both grain and phase boundaries during plastic deformation are also revealed. Finally, the results should provide insights for the plastic behaviors and the strain hardening mechanisms of heterogeneous lamella dual phase steel.

制约纳米结构金属应用的瓶颈是缺乏应变硬化能力，设计高强度大塑性的纳米结构金属并深入理解其应变硬化机理，具有重要的现实意义。本项目拟以普通碳素10#钢作为研究对象，通过冷轧/异步轧制及部分再结晶，设计并制备具有不同微结构参数的非均匀层片两相材料。通过单轴拉伸、加卸载、应力松弛、原位扫描电镜拉伸、高能X射线衍射条件下拉伸等宏/微观的力学性能测试，以及表征变形过程中微结构参数(包括两相的晶粒尺度、体积分数、织构演化及位错特征等)随应变的演化规律，研究非均匀两相结构背应力硬化的微观机制，建立微结构参数与宏/微观力学性能间的关联、揭示非均匀组分在变形过程中的应力/应变分配规律以及晶界/相界处的应变协调行为等，最后阐明非均匀层片两相材料的应变硬化机理及塑性变形行为。

为阐明非均匀层片材料的微观塑性变形行为及其微结构机理，研究微结构对力学行为和加工硬化行为的影响规律，选取低碳钢作为模型材料，利用冷轧低碳钢板得到超细晶的层片结构，利用部分再结晶调控微观结构，得到软硬不均匀分布，晶粒大小不同的组织。通过单轴准静态拉伸测试、显微硬度测试、加卸载测试、应力松弛测试及应变场测试等，研究并分析其力学行为、背应力硬化、林位错硬化及局部应变云图演化；借助各类显微镜表征微观结构组织和观察断口形貌，最后分析并阐明了层片纳米结构的变形行为及其应变硬化机理，得到以下结论：1）拉伸时，软-硬微区层片结构试样表面的局部应变是不均匀的，存在局部应变场及局部应变速率场。不均匀的软硬微区结构能有效抑制塑性变形初期的应变局域化，避免过早颈缩失稳；2）粗晶及层片结构拉伸后，晶内小角晶界以及KAM值明显提高，微区塑性变形严重，存在明显的软硬微区，位错小角晶界区，相比较软的大晶粒，很可能更容易协调变形，形成背应力硬化。另外，该项目揭示了梯度纳米结构的动态剪切变形机理：由于各层之间在动态变形过程中发生应变分配，产生了额外的加工硬化，能够延迟剪切带在纳米晶表层的萌生，以及限制剪切带从表面到芯部的扩展，梯度纳米结构金属能够获得比均质结构优越的动态剪切性能。研究了双相高比强钢拉伸的应变率效应：材料的屈服强度、抗拉强度和拉伸韧性随着应变率的增加而提高，由于材料两相之间的载荷传递和应变分配，背应力硬化在拉伸性能的提高上起了非常重要的作用。另外，应变率提高，可引起软相中更高的应变分配，推迟材料的失稳发生。低到高应变速率下，均观察到变形孪晶，提高了材料的均匀变形能力。项目执行期间，发表的标注SCI论文3篇，授权发明专利两项。