金属顶刊《Acta》片面展现高强韧钢绝热剪切带的构造演化历程
2022-11-16 14:59:36
作者：浅爱莫言深
导读：金属顶刊《Acta》全面揭示高强韧钢绝热剪切带的组织演变过程,导读：具有高强度、优异的韧性和低的韧脆性转变温度（DBTT）的含10 wt％镍钢被成功开发，可在高压和低温环境应用。但在动态载荷条件下，该钢...
导读：具有高强度、优秀的韧性和低的韧脆性变化温度（DBTT）的含10 wt％镍钢被乐成开辟，可在高压和低温情况应用。但在动态载荷条件下，该钢易于产生剪切局部化，形成绝热剪切带（ASB）。本文利用电子背散射衍射技能（EBSD）、透射电子显微镜（TEM）和原子探针层析成像技能（APT），从微观标准到原子标准全面细致研究了ASB中的温度升高和热塑性微布局演化历程。
为了餍足在极度事情条件下对宁静性和可靠性日益增进的需求，具有高韧性和高强度的布局质料近来引起了人们的遍及存眷。因为其高强度和杰出的抗裂韧性，高镍钢在抗震布局、耐爆炸的水师舰船布局部件以及液化自然气（LNG）油轮中是很有前程的候选质料。低碳浓度（<0.1wt％C）的钢具有良好的焊接性，回火马氏体基体中富镍奥氏体相的形成进步了钢的延性和韧性。通过特别的热处置惩罚，比方淬火-层化-回火（QLT）工序来进步在低温下利用的10 wt％Ni钢的强度和韧性。只管这些高镍钢具有杰出的静态力学性能，但在高应变率变形历程中仍存在局部变形的猛烈趋向。
在高应变率测试中，因为局部温度升高，导致局部塑性流淌的热塑性不稳健性显现，这是很多宁静要害布局质料的重要限定。绝热剪切带（ASB）是一种明显的质料粉碎模式，是因为动态载荷条件下的局部塑性流淌（比方金属成形，机器加工和弹道打击）导致的。绝热一词术语“热力学”是指没有热通报，由于在局部上加热要快于热量从塑性变形地区传导出去的时间标准。这种绝热剪切局部化征象在应变率敏感性低、热导率小、热软化率高的质料中更简单观看到。
因为仅有微秒的连续时间，很难在局部ASB内直接丈量温度，现在已利用包罗红外探测器在内的间接技能来估算温度的升高。然而，它们的空间和时间辨别率分别限于微米和毫秒范畴。当剪切带地区产生严峻的塑性变形时，全部塑性应变都高度会合，从而在短时间内导致布局的急剧改变和膨胀。溶质原子也大概在位错和晶界（GBs）处偏析，溶质原子的过饱和度大概充足高，以在随后的冷却历程中使析出物成核。但是，在10％wtNi钢中，剪切局部化历程中的种种微观布局及其潜伏机理尚不完全清晰。
基于此，美国西北大学David N.Seidman传授使用电子背散射衍射（EBSD），透射电子显微镜（TEM）和原子探针层析成像技能对Ni含量为10％的钢举行了绝热剪切带的热塑性模子的细致研究。在相变、沉淀形成、元素GB偏析、晶粒细化和动态再结晶方面，商议了因为短时间内绝热升温导致局部温度升高导致剪切带中产生的微观布局变化历程。这些试验效果，加上热塑性历程的阐发模子，提供了对高镍钢动态变形历程中微观构造演化的全面了解。相干研究结果以题“Temperature increases and thermoplastic microstructural evolution in adiabatic shear bands in a high-strength and high-toughness 10 wt.% Ni steel”颁发在金属顶刊Acta materialia上。论文链接：http://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.116568
本文通过盘算绝热条件下的温度升高，将塑性功转换为天生热，专门商议了ASB中的微布局变化：（i）bcc-fcc 合金元素的相变和元素安排；（ii）在温度升高时期富V（Nb）碳氮化物沉淀物构成改变的热力学模子；（iii）通过动态/机器再结晶历程细化和扭转晶粒。
最终，通过动态再结晶举动形貌了ASB中晶粒细化/扭转的动力学模子：（i）亚晶粒形成；（ii）通过变形举行扭转/细化；（iii）通过进一步扭转和温度升高而通过亚晶粒聚结来生长晶粒。在ASB中动态变形下的温度升高促进了晶界迁徙和亚晶粒聚结，从而形成了具有低缺陷密度的高度等轴晶粒。图1真实应力-应变曲线
动态变形10 wt.%镍钢的构造由板条马氏体和两种剪切带构成，有相变和无相变的绝热剪切带(t-ASB)在焦点部位，外围为变形绝热剪切带(d-ASB)。在变形剪切带上发觉了微小的裂纹，导致局部抗拉强度降落，终极导致断裂。
图2。绝热剪切带（ASB）的扫描电子显微镜（SEM）图像。
图3。包罗裂纹尖真个ASB的透射电子显微镜（TEM）图像（a）整个样品的低倍图像；（b）穿过虚线过渡线（TL）的从伸长的变形晶粒到等轴晶粒的过渡的明场（BF）图像，（c）具有裂纹尖真个ASB的中间地区；（d）在主裂纹之前的ASB内的第二个微裂纹地区的高倍放大图像；（e，f）对应于从（110）衍射得到的（b，c）的暗场（DF）图像，该衍射点由右上插图中所选地区衍射图案（SADP）中的圆圈表现。
因为在983°C的峰值温度下的偏析，界面自由能的低落在GB处分别为-56.94±4.92 mJ•m -2，在亚晶界处分别为-45.35±4.41 mJ•m -2。溶质原子与大角度GBs和亚晶界（GBs）的相互作用提供了通过剪切变形移动这些界面所需的界面自由能。溶质原子的相互作用可以通过促进耦合的晶界界限的脱钉作用来增添局部剪切变形的不稳健性。图4。过渡线（白色虚线）BF和DF TEM图像
图5。电子背散射衍射（EBSD）偏向图高出从d-到t- ASB的过渡地区。
图6。d-相中的相干TEM和3-D APT阐发ASB间隔过渡线约3 µm。（a）GB-3和GB-4之间的晶粒中具有SADP的APT纳米尖真个BF TEM图像。SADP位于bcc-iron的[112]地区轴周边。（b，c）两张3-D APT重修图像，分别具有〜133和〜1.2亿个原子。（d）GB（1、2、4、5）和（e）子GB（SGs1-4）的浓度曲线。通过比力3-D APT重修中元素偏析的表面与TEM图像中的GB比拟度，可以在APT图像中辨认GB
图7。t- ASB中的相干TEM和3-D APT阐发。（a）包罗六个晶粒的APT纳米尖真个BF TEM图像体现出差别的衍射比拟成效。（b）包罗约1.33亿个原子的3-D APT重修图像。
图8。t- ASB中富钒碳氮化物沉淀物的3-D APT阐发。
图9。盘算了等温条件下的应变速率为10 -4 s-1（实心玄色）和2800 s -1（蓝虚线）的绝热条件，并在绝热条件下归并了约20％的真实应变
图10。温度随应变而增添
导读：具有高强度、优秀的韧性和低的韧脆性变化温度（DBTT）的含10 wt％镍钢被乐成开辟，可在高压和低温情况应用。但在动态载荷条件下，该钢易于产生剪切局部化，形成绝热剪切带（ASB）。本文利用电子背散射衍射技能（EBSD）、透射电子显微镜（TEM）和原子探针层析成像技能（APT），从微观标准到原子标准全面细致研究了ASB中的温度升高和热塑性微布局演化历程。
为了餍足在极度事情条件下对宁静性和可靠性日益增进的需求，具有高韧性和高强度的布局质料近来引起了人们的遍及存眷。因为其高强度和杰出的抗裂韧性，高镍钢在抗震布局、耐爆炸的水师舰船布局部件以及液化自然气（LNG）油轮中是很有前程的候选质料。低碳浓度（<0.1wt％C）的钢具有良好的焊接性，回火马氏体基体中富镍奥氏体相的形成进步了钢的延性和韧性。通过特别的热处置惩罚，比方淬火-层化-回火（QLT）工序来进步在低温下利用的10 wt％Ni钢的强度和韧性。只管这些高镍钢具有杰出的静态力学性能，但在高应变率变形历程中仍存在局部变形的猛烈趋向。
在高应变率测试中，因为局部温度升高，导致局部塑性流淌的热塑性不稳健性显现，这是很多宁静要害布局质料的重要限定。绝热剪切带（ASB）是一种明显的质料粉碎模式，是因为动态载荷条件下的局部塑性流淌（比方金属成形，机器加工和弹道打击）导致的。绝热一词术语“热力学”是指没有热通报，由于在局部上加热要快于热量从塑性变形地区传导出去的时间标准。这种绝热剪切局部化征象在应变率敏感性低、热导率小、热软化率高的质料中更简单观看到。
因为仅有微秒的连续时间，很难在局部ASB内直接丈量温度，现在已利用包罗红外探测器在内的间接技能来估算温度的升高。然而，它们的空间和时间辨别率分别限于微米和毫秒范畴。当剪切带地区产生严峻的塑性变形时，全部塑性应变都高度会合，从而在短时间内导致布局的急剧改变和膨胀。溶质原子也大概在位错和晶界（GBs）处偏析，溶质原子的过饱和度大概充足高，以在随后的冷却历程中使析出物成核。但是，在10％wtNi钢中，剪切局部化历程中的种种微观布局及其潜伏机理尚不完全清晰。
基于此，美国西北大学David N.Seidman传授使用电子背散射衍射（EBSD），透射电子显微镜（TEM）和原子探针层析成像技能对Ni含量为10％的钢举行了绝热剪切带的热塑性模子的细致研究。在相变、沉淀形成、元素GB偏析、晶粒细化和动态再结晶方面，商议了因为短时间内绝热升温导致局部温度升高导致剪切带中产生的微观布局变化历程。这些试验效果，加上热塑性历程的阐发模子，提供了对高镍钢动态变形历程中微观构造演化的全面了解。相干研究结果以题“Temperature increases and thermoplastic microstructural evolution in adiabatic shear bands in a high-strength and high-toughness 10 wt.% Ni steel”颁发在金属顶刊Acta materialia上。论文链接：http://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.116568
本文通过盘算绝热条件下的温度升高，将塑性功转换为天生热，专门商议了ASB中的微布局变化：（i）bcc-fcc 合金元素的相变和元素安排；（ii）在温度升高时期富V（Nb）碳氮化物沉淀物构成改变的热力学模子；（iii）通过动态/机器再结晶历程细化和扭转晶粒。
最终，通过动态再结晶举动形貌了ASB中晶粒细化/扭转的动力学模子：（i）亚晶粒形成；（ii）通过变形举行扭转/细化；（iii）通过进一步扭转和温度升高而通过亚晶粒聚结来生长晶粒。在ASB中动态变形下的温度升高促进了晶界迁徙和亚晶粒聚结，从而形成了具有低缺陷密度的高度等轴晶粒。图1真实应力-应变曲线
动态变形10 wt.%镍钢的构造由板条马氏体和两种剪切带构成，有相变和无相变的绝热剪切带(t-ASB)在焦点部位，外围为变形绝热剪切带(d-ASB)。在变形剪切带上发觉了微小的裂纹，导致局部抗拉强度降落，终极导致断裂。
图2。绝热剪切带（ASB）的扫描电子显微镜（SEM）图像。
图3。包罗裂纹尖真个ASB的透射电子显微镜（TEM）图像（a）整个样品的低倍图像；（b）穿过虚线过渡线（TL）的从伸长的变形晶粒到等轴晶粒的过渡的明场（BF）图像，（c）具有裂纹尖真个ASB的中间地区；（d）在主裂纹之前的ASB内的第二个微裂纹地区的高倍放大图像；（e，f）对应于从（110）衍射得到的（b，c）的暗场（DF）图像，该衍射点由右上插图中所选地区衍射图案（SADP）中的圆圈表现。
因为在983°C的峰值温度下的偏析，界面自由能的低落在GB处分别为-56.94±4.92 mJ•m -2，在亚晶界处分别为-45.35±4.41 mJ•m -2。溶质原子与大角度GBs和亚晶界（GBs）的相互作用提供了通过剪切变形移动这些界面所需的界面自由能。溶质原子的相互作用可以通过促进耦合的晶界界限的脱钉作用来增添局部剪切变形的不稳健性。图4。过渡线（白色虚线）BF和DF TEM图像
图5。电子背散射衍射（EBSD）偏向图高出从d-到t- ASB的过渡地区。
图6。d-相中的相干TEM和3-D APT阐发ASB间隔过渡线约3 µm。（a）GB-3和GB-4之间的晶粒中具有SADP的APT纳米尖真个BF TEM图像。SADP位于bcc-iron的[112]地区轴周边。（b，c）两张3-D APT重修图像，分别具有〜133和〜1.2亿个原子。（d）GB（1、2、4、5）和（e）子GB（SGs1-4）的浓度曲线。通过比力3-D APT重修中元素偏析的表面与TEM图像中的GB比拟度，可以在APT图像中辨认GB
图7。t- ASB中的相干TEM和3-D APT阐发。（a）包罗六个晶粒的APT纳米尖真个BF TEM图像体现出差别的衍射比拟成效。（b）包罗约1.33亿个原子的3-D APT重修图像。
图8。t- ASB中富钒碳氮化物沉淀物的3-D APT阐发。
图9。盘算了等温条件下的应变速率为10 -4 s-1（实心玄色）和2800 s -1（蓝虚线）的绝热条件，并在绝热条件下归并了约20％的真实应变
图10。温度随应变而增添
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