等径角挤压变形奥氏体不锈钢的结构演化和力学性能及应用研究

摘要

等通道转角挤压(Equal Channel Angular Pressing-ECAP)是制备块体纳米金属材料的重要方法之一。不同层错能的金属在ECAP过程中表现出不同的变形行为和力学特性。本论文以铸态及锻态二种304L奥氏体不锈钢为试验材料，进行了室温、高温的多道次的ECAP，并进行了ECAP试样的再结晶退火研究。深入分析和讨论了ECAP过程中304L奥氏体不锈钢的结构演化、ECAP变形条件下的形变孪生行为及马氏体相变；研究了ECAP过程中力学性能变化及退火工艺对ECAP试样的组织与性能影响以及回复与再结晶机制。 经室温8道次挤压后，实现了奥氏体不锈钢的组织纳米化，得到两种纳米晶结构：(1)α<'1>马氏体纳米晶，平均晶粒尺寸～74 nm；(2)γ奥氏体纳米晶，平均晶粒尺寸～31 nm。马氏体纳米晶形成机制：(a)剪切带对初始大晶粒的分割；(b)连续的应变诱发γ→ε→α′和γ→α′马氏体相变；(c)形成的马氏体以位错细化机制分割晶粒；(d)形成随机取向的纳米晶。奥氏体纳米晶形成机制：(a)剪切带对初始大晶粒的分割；(b)形成大量层错和形变孪晶，孪晶板条在随后挤压过程中断裂或二次孪生而细化，以及奥氏体滑移带相互交割而细化；(c)形成随机取向的纳米晶。 ECAP过程中产生的形变孪晶主要有二类：一类是孪生方向与剪切方向基本相同的大块孪晶，孪生机制是极轴机制；另一类是与剪切方向有一定角度的、剪切带内和宽孪晶板条内形成的带状孪晶。孪生变形主要发生在剪切带及其交汇处，孪晶变形由剪切带内很高的应力集中所激发，是应变局部化的结果。纳米晶(≤100 nm)的孪生机制为晶界发射Shockley分位错机制，孪生形核于晶界，并通过相邻{111}滑移面上连续发射Shockley分位错长大，带宽(剪切带和宽孪晶板条)≤300nm的孪生机制也可以是晶界发射机制。 γ→ε转变以层错的无序叠加方式进行，并与孪晶共生；马氏体相变以γ→ε→α′和γ→α′二种方式进行，ε属于过渡相，在转变过程中起中介作用。在γ→ε→α′转变过程中，α′、ε和γ之间保持取向关系：{111}<,γ>//{0001)<,ε>//{001})<,α>，<110><,γ>/<1120><,ε>//<111><,α′>。γ→α′转变有两种方式：应力协助马氏体转变和应变诱发马氏体转变。应力协助α′马氏体倾向于在孪晶或ε马氏体区形核，通过吞噬孪晶板条或ε片层长大；应变诱发α′马氏体形核于变形孪晶或ε马氏体片层的相互交割处。两种γ→α′转变方式下，α′马氏体与γ基体之间均保持K-S关系：{011}<,α>．//{111}<,γ>，<111><,α>．//<110><,γ>。采用ECAP+再结晶退火工艺，可以获得超细组织的奥氏体不锈钢(2～5um)。铸态组织通过ECAP+高温固溶工艺，可以获得与锻态相同的组织与性能，有可能实现铸锭的开坯。 在退火过程中，低层错能的奥氏体不锈钢可以发生多变化过程以及形成位错胞过程。亚晶的形成与长大：(a)形变带→带内位错胞→亚晶；(b)形变带→高密度位错形变带界面→多边化→位错墙→亚晶。亚晶以晶界凸出机制迁移及合并机制生长。再结晶形核与生长：亚晶的不断长大形成再结晶晶核，晶核以凸出机制迁移长大。凸出机制从微观上看是台阶长大机制，合并机制从宏观上看是晶粒转动机制。这二种机制是亚晶长大与再结晶晶核生长的基本机制。形变孪晶和层错的消失，以及退火孪晶的长大可以发生在回复阶段，以凸出机制和合并机制进行的。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1纳米材料及块体纳米材料的制备

1.1.1纳米材料

1.1.2块体纳米材料的制备

1.2等径角挤压变形的研究现状及发展趋势

1.2.1等径角挤压变形(ECAP)的影响因素

1.3块体纳米材料的细化机制

1.3.1位错细化机制

1.3.2孪晶细化机制

1.3.3相变细化机制

1.4纳米材料的性能

1.4.1力学性能

1.4.2超塑性

1.5面心立方金属的孪生机制

1.6本文的研究内容、目的和意义

第二章等径角挤压变形奥氏体不锈钢的晶粒细化机制

2.1引言

2.2试验材料与方法

2.3试验结果与分析

2.3.1光学金相分析

2.3.2 X-射线衍射分析

2.3.3 TEM结构演变分析

2.4讨论

2.4.1 γ奥氏体纳米晶的形成

2.4.2 α'马氏体纳米晶的形成

2.5、本章小结

第三章ECAP过程中奥氏体不锈钢的孪生变形

3.1引言

3.2试验材料与方法

3.3试验结果与分析

3.3.1室温挤压下的孪生变形

3.3.2热挤压下的孪生变形

3.3.3铸态组织的孪生变形

3.4讨论

3.4.1奥氏体不锈钢孪生变形的极轴机制

3.4.2奥氏体不锈钢孪生变形的晶界发射机制

3.5本章小结

第四章ECAP过程中奥氏体不锈钢的马氏体相变

4.1引言

4.2试验材料与方法

4.3试验结果与分析

4.3.1 γ → ε马氏体相变

4.3.2 γ →ε→α'马氏体相变

4.4讨论

4.4.1 γ→ε马氏体相变

4.4.2 γ→ε→α'马氏体相变

4.5本章小结

第五章ECAP奥氏体不锈钢的力学性能及应用研究

5.1引言

5.2试验材料与方法

5.3试验结果与分析

5.3.1室温ECAP后的力学性能

5.3.2热ECAP后的力学性能

5.3.3 ECAP试样的热处理

5.4讨论

5.4.1利用ECAP+退火处理实现奥氏体不锈钢的超细组织化

5.4.2用ECAP法实现奥氏体不锈钢锭的开坯

5.5本章小结

第六章ECAP奥氏体不锈钢退火下的回复与再结晶

6.1引言

6.2试验材料与方法

6.3试验结果与分析

6.3.1亚晶的形成机制

6.3.2再结晶形核与长大机制

6.3.3退火过程中形变孪晶与层错的消失

6.3.4退火孪晶

6.4讨论

6.4.1凸出长大机制

6.4.2合并长大机制

6.5本章小结

第七章全文总结

参考文献

致谢

博士期间发表的论文