基于EBSD和SEM-DIC的2205双相不锈钢中两相变形及界面处滑移传递机制的研究

摘要

2205双相不锈钢(duplex stainless steel，DSS)是双相钢中的典型代表，因其具有优良的抗腐蚀性和力学性能而被广泛应用在压力容器、化学加工、海上船舶等工业领域。双相不锈钢，其中含有体心立方结构(body-centered-cubic，BCC)铁素体和面心立方结构(face-centered-cubic，FCC)奥氏体两种相结构。由于不同晶体相结构在变形上存在较大差异，双相不锈钢在工程服役过程中的变形比较复杂，宏观塑性变形表现为两相单独的塑性变形和两相之间的界面对变形的影响，比如滑移传递现象，这两方面对DSS的力学性能有极为重要的影响。因此研究双相不锈钢的宏观力学变形行为和微观变形机制有着深刻的工程意义。　　本文用气相沉积工艺制备出可以附着在DSS表面的亚微米级金属颗粒散斑，然后用材料试验机(material testing machine，MTS)对DSS进行压缩加载，用扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)拍摄在不同压缩应变下DSS表面的散斑照片，以及电子背散射衍射(electron back-scatter diffraction，EBSD)获取DSS表面的微结构信息。把不同应变下DSS表面的SEM照片与无应变DSS表面的SEM照片用数字图像相关(digital image correlation，DIC)技术进行相关处理，获得DSS在不同压缩应变下的应变场。同时将应变场信息和EBSD获取的相颗粒，晶粒，相界，晶界等微结构信息进行联系起来，试图研究DSS中两相变形和界面处滑移传递机制。本文结论如下：　　利用电子背散射衍射(EBSD)对2205双相不锈钢在单轴压缩过程中两相的各向异性进行准原位观察，结果表明，轧向(rolling direction，RD)、横向(transverse direction， TD)、法向(normal direction，ND)三个方向的铁素体均为硬相，奥氏体为软相。相同应变时，TD和ND两相的变形程度更大，TD两相的非均匀变形程度最大，ND变形最均匀。RD铁素体的抗塑性变形能力随应变增大而减弱，TD和ND类似，铁素体的抗塑性变形能力基本不变，三个方向的奥氏体的抗塑性变形能力都在增强。　　进一步，选取RD和与RD呈45°方向的2205双相不锈钢样品进行单轴压缩加载，通过扫描电子显微镜(SEM)结合数字图像相关(DIC)的方法，简称SEM-DIC，表征出应变场和应变梯度场。通过对Exx应变场的分析，可以看出当沿RD加载时，铁素体的应变略大于奥氏体，且随着变形增大，奥氏体与铁素体的应变比迅速增大，之后基本保持在0.94左右；而沿着与RD成45°角方向加载时，奥氏体的应变大于铁素体的应变，奥氏体与铁素体的应变比从1.35迅速减小到1.15。由此说明，两种方向加载变形的开始阶段，单一相占主导，随着变形增大，软相会协调硬相进行变形以减小两相之间的应变差值。在Exxgradient应变梯度场中显示，在两种方向加载时，奥氏体的应变梯度都明显大于铁素体，说明奥氏体的滑移明显程度总是大于铁素体。　　利用EBSD研究2205双相不锈钢在单轴压缩加载过程中的滑移系的开启行为。根据EBSD结果表明，大多数奥氏体的滑移激活遵循Schmid定律，大多数铁素体的滑移激活不遵循Schmid定律，滑移带应变与Schmid因子呈现弱相关；滑移传递主要发生在奥氏体孪晶界(TB)和相界(PB)处，奥氏体普通晶界(GB)处较少，由于铁素体内部应变梯度小，很难造成局部较大的应力集中，所以铁素体晶界处基本不发生滑移传递。TB处滑移传递机率较高，偏离K-S关系的PB处滑移传递阻碍率越高。TB和PB的滑移传递通常与Schmid因子、两滑移面与界面交线的夹角较小、残余Burgers矢量较小有关。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 2205双相不锈钢概述

1.3 2205双相不锈钢的变形机制

1.3.1 铁素体的滑移

1.3.2 奥氏体的滑移

1.3.3 Taylor因子

1.3.4 Hall-petch关系

1.3.5 晶粒取向

1.3.6 滑移传递

1.4 研究意义和研究内容

第2章 实验技术与方法

2.1 实验材料与制备方法

2.2 实验方案

2.3 实验技术及原理

2.3.1 电子背散射衍射（EBSD）技术

2.3.2 数字图像相关技术 (DIC)

第3章 2205双相不锈钢在单轴压缩过程中两相变形的准原位研究

3.1 取向和织构变化

3.1.1 RD加载方向的变化

3.1.2 TD加载方向的变化

3.1.3 ND加载方向的变化

3.2 位错密度变化

3.2.1 平均取向差的变化

3.2.2 平均取向偏转角的变化

3.3.1 Schmid因子

3.3.2 Taylor因子

3.4 两相各向异性的比较

3.4.1 取向差和位错密度

3.4.2 几何软硬变化

3.5 本章小结

第4章 2205双相不锈钢在单轴压缩过程中的应变分配及滑移传递的研究

4.1 积累型DIC结果

4.2 两相滑移与Schmid因子的关系

4.3 界面处的滑移传递现象

4.4 滑移传递准则

4.5.1 孪生关系

4.5.2 K-S关系

4.6 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文