近期,國際材料領域著名期刊《Materials Characterization》以太原科技大學為第一兼通訊單位發表了材料科學與工程學院秦鳳明、杜時丹、李亞杰等人的研究論文“Effects of strain rate on dynamic deformation behavior and microstructure evolution of Fe-Mn-Cr-N austenitic stainless steel”。
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https://doi.org/10.1016/j.matchar.2024.113975
Fe-Mn-Cr-N奧氏體不銹鋼作為電站和航空航天工業的材料,將在高溫、高壓和交變載荷等惡劣的工作條件下使用。因此,有必要闡明 Fe-Mn-Cr-N 鋼在準靜態和動態塑性變形過程中的組織演變機制,以確保其在惡劣環境下的安全性。目前,對 Fe-Mn-Cr-N 系奧氏體不銹鋼的研究大多集中在靜態變形行為上,而對高應變速率塑性變形行為的研究報道較少。因此,研究高溫高應變率加載條件下的力學行為具有重要意義。本文采用 Gleeble-3800 和 SHPB 對 Fe-Mn-Cr-N 鋼進行了寬應變速率壓縮實驗,進一步研究了應變速率對其組織演變和力學性能的影響(例如,屈服應力,流變應力和應變硬化能力)。同時,本構模型的建立和最先進的表征方法被用來了解合金變形和強化的潛在機制。
本文亮點
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研究了應變率對Fe-Mn-Cr-N鋼動態熱變形行為和微觀組織演化的影響,研究了準靜態和動態加載條件下應變率對Fe-Mn-Cr-N鋼動態熱變形行為和微觀組織演化的影響。
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應變率敏感性有三個不同的區域,m 值從0.050 增加到 0.480 和1.507。
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在低應變率(0.001∼0.1s-1),微觀結構演化以位錯滑移和DRV為主。當應變率增加到 2500∼3500s-1 時,位錯滑移和變形孿晶共同協調塑性變形。當應變率為4500∼5500s-1時,則基于孿晶的 DRX 被激活。
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改進的J-C模型能夠宏觀地預測高應變率變形過程中的流動行為,同時考慮了絕熱溫升的影響。
圖1 鑄態Fe-Mn-Cr-N 鋼的熱壓縮性能 (a)真應力應變曲線;(b)應變硬化速率曲線;(c)應變速率敏感性(m);(d)硬度關系
圖2在高應變率加載條件下,鑄態Fe-Mn-Cr-N鋼熱變形的IPF、BC+GB(紫色:2-15°,黑色:>15°,紅色:Σ3)、晶界取向分布和KAM圖 (a1-a4) 2500 s-1;(b1-b4) 3500 s-1;(c1-c4) 4500 s-1;(d1-d4) 5500 s-1
圖3 鑄態Fe-Mn-Cr-N鋼的再結晶圖 (a1-a3) 0.001 s-1~0.1 s-1;(b1-b3) 3500 s-1~5500 s-1;(c)再結晶分數和Σ3孿晶變化;(d)峰值應力-峰值應變。(黃色:亞結構;紅色:變形;藍色:再結晶)
圖4 鑄態Fe-Mn-Cr-N在高應變速率下熱變形的BC+GB局部放大圖。(a) 0.01 s-1;(b) 0.1 s-1;(c) 2500 s-1;(d) 5500 s-1(紫色:2-15°;黑色:>15°;紅色:Σ3)
圖5 鑄態Fe-Mn-Cr-N鋼在不同應變率變形過程中微觀結構演變示意圖
圖6 在動態加載條件下,通過改進的Johnson-Cook (J-C)本構模型進行實驗和預測流動行為比較結果
隨著應變速率的增加,粗柱狀晶內的不均勻流動現象變得更加嚴重。當應變速率從2500 s-1增加到3500 s-1時,顯微組織以變形晶粒為主,并伴有大量平行變形帶和變形孿晶。當應變速率增加到4500 s-1時,變形帶中有大量動態再結晶晶粒和少量退火孿晶形核。5500 s-1變形的試樣中,變形帶已被再結晶的等軸晶粒和退火孿晶占據。隨著應變速率的提高,大角度晶界顯著增加,尤其是Σ3孿晶。因此,孿晶再結晶機制占主導地位。在應變速率為5500 s-1時,HAGB和LAGB的比例分別為56.23%和43.77%,其中Σ3孿晶界數量占比達到11.16%。因此,位錯滑移和孿晶共同協調在動態加載條件下的高應變率的塑性變形。在動態再結晶過程中,高密度幾何位錯和亞晶逐漸轉變為動態再結晶等軸晶的HAGB。修正的J-C模型證明了實驗數據與模型擬合的一致性,平均誤差在2.5%左右,表明用溫升修正的J-C模型可以準確預測Fe-Mn-Cr-N鋼在高應變速率加載下的應力-應變關系。
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