层状多级分布304ss组织结构与力学性能研究

论文摘要

超细晶材料因其在材料中不需另外添加合金元素、高洁净、回收再利用简单而成为新世纪先进结构材料的重要研发方向。超细晶金属材料的强度远高于同成分粗晶材料,但其塑性随晶粒的减小而降低,甚至出现了由塑性转变为脆性的变化。许多研究结果都表明塑性恶化或许是纳米晶材料的本征特点,这对结构材料的应用非常不利。因此,设计和发展出一种既具有高强度又能保持良好塑性的细晶材料是当前所面临的巨大挑战。目前,对不同制备方法获得的超细晶材料的组织结构和细化机制已有阐述,但对超细晶材料进一步塑性变形后的组织结构和细化机制尚少有报道。为实现高强高塑的良好结合,本文采用共温轧（warm co-rolling）表面机械研磨处理（SMAT）后的304ss,制备出一种纳米晶层、亚微米晶层和微米晶层呈周期性分布的层状纳米结构钢（layered nanostructural steel,LaNa）,它具有双相多尺度晶粒分布的微观组织结构。重点研究了层状纳米结构钢的微观组织结构和力学性能及断裂机制。利用透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）等手段系统表征组织结构;采用常温拉伸试验机、维氏显微硬度计测试材料的力学性能。取得如下结果:层状纳米结构304ss具有纳米晶层、亚微米晶层和微米晶层呈周期性分布特征,由多尺度晶粒分布的奥氏体、马氏体双相组织组成。随着从表面到界面处的深度增加,由等轴、随机取向的纳米晶层逐渐过渡到亚微米晶层,晶粒细化逐渐变得不均匀,再梯度过渡到以亚晶/位错胞/位错为主要组织结构的微米晶层。40%轧下量时,纳米晶/超细晶层体积分数约为33%,孪晶层约占33%。而50%轧下量时,纳米晶/超细晶层体积分数约为60%,晶粒细化明显。温轧变形的晶粒细化机制为位错分割机制、动态回复和再结晶以及γ/α′逆相变机制。层状纳米结构304ss实现了良好的高强高塑结合,屈服强度为700 MPa～950 MPa,抗拉强度930 MPa～1000 MPa,断裂延伸率为30%～50%,且均匀延伸率最高可达42%。其强化机制为细晶强化、位错增殖和应变诱导马氏体相变机制。其良好的塑性是由于微米晶层的位错累积能力、非局域化的断裂机制和应变诱导马氏体相变共同作用的结果,并使其具有明显的加工硬化能力,加工硬化指数n最高可达0.47。试验结果表明层状双相多尺度晶粒分布结构可有效改善纳米晶/超细晶材料的塑性。层状纳米结构钢的室温拉伸变形行为显示出了非局域化的变形行为,可细分为五个阶段:应变硬化、滑移、颈缩传播、第二次颈缩和断裂。滑移带的出现和颈缩传播是层状纳米结构钢特有的变形行为。这种特殊的变形行为是由层状纳米结构钢的独特断裂机制引起的。在拉伸变形过程中,主裂纹萌生于轧制界面的氧化物及缺陷处,并沿界面扩展。当裂纹扩展时,受到残余压应力的阻止、弱界面结合处的裂纹转向,以及微米晶层的钝化作用,控制了裂纹扩展的方向和速度。在上述因素的相互作用下,裂纹萌生、扩展和钝化重复出现,诱发了稳态的变形行为。纳米晶/超细晶层以多重开裂的方式、二次滑移等方式发生了较大的塑性变形,提高了材料的韧性,并改善了纳米晶/超细晶材料的塑性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 纳米及亚微米金属材料的制备方法
• 1.2.1 纳米金属材料的分类
• 1.2.2 纳米及亚微米金属材料的制备
• 1.3 纳米金属材料的结构
• 1.3.1 体纳米金属结构
• 1.3.2 表面纳米化组织演变规律
• 1.4 纳米金属材料的性能
• 1.4.1 纳米金属材料的力学性能
• 1.4.2 纳米晶的热稳定性能
• 1.5 本课题的研究意义、目标和方法
• 参考文献
• 第二章 试验材料及研究方法
• 2.1 试验材料及设备
• 2.1.1 试验用材料
• 2.1.2 制样设备
• 2.2 层状多级分布 304ss 的制备工艺
• 2.2.1 表面纳米化处理
• 2.2.2 共温轧工艺
• 2.3 结构表征方法
• 2.3.1 光学显微镜观察
• 2.3.2 扫描电子显微镜观察
• 2.3.3 X 射线衍射分析
• 2.3.4 透射电子显微镜观察
• 2.3.5 高分辨透射电子显微镜观察
• 2.4 力学性能测试方法
• 2.4.1 显微硬度测试
• 2.4.2 拉伸试验
• 2.5 关于本论文的一些说明
• 参考文献
• 第三章 层状多级分布304ss 的微观组织结构
• 3.1 前言
• 3.2 层状多级分布304ss 的微观组织结构
• 3.2.1 XRD 分析
• 3.2.2 截面SEM 形貌观察
• 3.2.3 截面不同深度TEM 形貌观察
• 3.3 层状多级分布304ss 的多尺度晶粒分布特征
• 3.3.1 层状纳米结构钢的周期性层状分布结构特征
• 3.3.2 层状纳米结构钢的多尺度结构特征
• 3.3.3 层状纳米结构钢的双相组织结构
• 3.4 小结
• 参考文献
• 第四章 温轧表面纳米化层细化机制和变形行为探讨
• 4.1 引言
• 4.2 表面机械研磨处理304ss 的微观结构特征和细化机制
• 4.2.1 表面机械研磨处理304ss 的微观组织结构
• 4.2.2 SMAT 晶粒细化的机制
• 4.3 表面纳米化层温轧变形行为
• 4.3.1 温轧表面纳米化层变形行为
• 4.3.2 温轧表面纳米化层 γ/α相变
• 4.3.3 影响晶粒大小的主要因素
• 4.4 温轧表面纳米化层细化机制探讨
• 4.4.1 位错分割机制
• 4.4.2 动态回复和再结晶
• 4.4.3 逆 γ/α相变细化晶粒
• 4.5 小结
• 参考文献
• 第五章 层状多级分布304ss 的力学性能
• 5.1 前言
• 5.2 力学性能
• 5.2.1 显微硬度
• 5.2.2 拉伸性能
• 5.2.3 层状多级分布304ss 的加工硬化行为
• 5.2.4 层状多级分布 304ss 常温变形行为的非局域化变形特性
• 5.3 层状多级分布 304ss 钢高强高塑机制分析
• 5.3.1 层状多级分布304ss 拉伸后组织结构
• 5.3.2 层状多级分布304ss 强化机制
• 5.3.3 层状多级分布304ss 高塑性分析
• 5.4 与其他先进高强度钢的比较
• 5.5 小结
• 参考文献
• 第六章 层状多级分布304ss 断裂机制
• 6.1 前言
• 6.2 断裂特征
• 6.2.1 断裂形貌观察
• 6.2.2 混合断裂特征
• 6.3 层状多级分布钢断裂过程
• 6.3.1 RD 方向表面形貌SEM 观察
• 6.3.2 ND 方向表面形貌SEM 观察
• 6.3.3 层状多级分布钢断裂机制探讨
• 6.4 小结
• 参考文献
• 第七章 结论
• 本文的创新点
• 攻读博士学位期间发表论文、申请专利及待发表的论文
• 致谢