金屬材料的疲勞、磨損和腐蝕失效通常起源於材料表面的破壞,因此表層的微觀結構對材料整體效能影響很大。鐳射衝擊強化技術(LSP:Laser shock peening),作為表面塑性變形強化技術中的一種新技術,透過誘導的鐳射衝擊波使得材料表層發生晶粒細化甚至奈米化。近年來,LSP在亞微米/奈米尺度下的晶粒細化機制越來越受到科研工作者的關注。對於具有面心立方(FCC)和密排六方(HCP)晶體結構的金屬材料(多為單相),機械孿生和位錯活動在鐳射衝擊強化誘導晶粒細化過程中起了關鍵作用。然而,大多數工程材料是多相合金,與單相材料相比,對多相金屬材料塑性變形誘導的微觀組織演變和奈米尺度晶粒細化的研究較少。
對於多相合金,在塑性變形過程中,除了變形誘導多相晶粒細化外,還可能誘導某些相的化學成分發生變化,包括非平衡固溶體的形成或第二相的溶解。AISI420馬氏體不鏽鋼含有較高的Cr含量和少量C元素,因此在熱處理過程中會形成富Cr的碳化物。這些碳化物在力學作用下也會發生塑性變形、碎化和分解,超高應變率鐳射衝擊強化誘導碳化物微觀結構演變尚未在文獻中發現。另外,由於碳化物的存在,馬氏體基體的晶粒細化機理也會受到影響,碳化物對馬氏體基體梯度奈米結構形成的影響機理也不清晰。
來自江蘇大學的王長雨博士(第一作者)和魯金忠教授(通訊作者)、內布拉斯加大學林肯分校王健教授(共同通訊作者)等人採用LSP技術成功地在AISI420馬氏體不鏽鋼上製備了基體和碳化物雙相梯度奈米結構層。透過透射電鏡觀察、能譜元素面掃和X射線衍射物相分析,對鐳射衝擊波作用下不同深度處的基體和碳化物進行了表徵,深入研究了鐳射衝擊強化對AISI420馬氏體不鏽鋼基體和碳化物梯度奈米結構形成機理,並且對碳化物發生塑性變形和碎化的過程出現的元素變化進行了系統研究。經LSP處理後,AISI420馬氏體不鏽鋼的抗拉強度和伸長率分別提升24.3%和47.8%。相關論文以題為“Carbide-facilitated nanocrystallization of martensitic laths and carbide deformation in AISI 420stainless steel during laser shock peening”發表在International Journal of Plasticity。
論文連結:
https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2021.103191
研究結果表明:鐳射衝擊強化在2Cr13鋼表層誘導了基體和碳化物雙相梯度奈米結構,鐳射衝擊試樣誘導的表面奈米晶和奈米碳化物尺寸範圍分別是14-86nm和5-70nm。相同深度處,對比於1層LSP衝擊,2層LSP衝擊誘導的微觀組織細化程度更高。馬氏體板條梯度奈米結構的形成機制是以位錯運動為主,碳化物的存在促進位錯的運動。當馬氏體板條細化到小於碳化物的尺寸時,碳化物也發生塑性變形,主要表現在沿{111}和{311}晶面的位錯滑移,累積的多次滑移使碳化物逐漸細化為奈米級碳化物。在AISI420馬氏體不鏽鋼中,首次在原始亞微米碳化物中發現了鐳射衝擊波誘導的三個塑性變形區,即嚴重變形區、輕微變形區和無變形區。隨著碳化物塑性變形程度的加重,Cr元素和Fe元素含量分別降低和增加,表明碳化物和基體發生了機械混合的作用。
圖1 LSP處理AISI 420馬氏體不鏽鋼馬氏體板條和碳化物梯度奈米結構
圖2 亞微米碳化物內部LSP誘導的三個塑性變形區:嚴重變形區、輕微變形區和無變形區
圖3 LSP處理AISI 420馬氏體不鏽鋼誘導的碳化物碎化
在鐳射衝擊強化的力學效應作用下,碳化物除了發生細化,還會發生碎化分離現象,碎化的碳化物尺寸也能達到奈米級別(100nm以下)。超高應變率在碳化物內部誘導非晶剪下帶,微裂紋沿著非晶剪下帶擴充套件進而貫穿碳化物,使得碳化物破裂並分離。
另外,碳化物的分解與碳化物的塑性變形和破碎同時發生,碳化物分解是由基體流動引起的碳化物介面磨損與碳化物塑性變形協同作用的結果。隨著變形程度的增加,由於球狀碳化物的逐步分解和與基體的機械混合作用,變形碳化物中Cr含量不斷降低。
圖4 LSP處理AISI 420馬氏體不鏽鋼誘導的碳化物分解
圖5 LSP誘導的AISI 420馬氏體不鏽鋼梯度奈米結構示意圖
圖6 LSP處理前後AISI 420馬氏體不鏽鋼的拉伸效能和顯微硬度
整體上,LSP力學效應誘導的梯度奈米結構形成機制主要以位錯運動為主。在靠近基體的亞表層(低應變率),在碳化物周圍形成多種位錯亞結構,將原始馬氏體板條細化為亞微米級。隨著深度的減小,為進一步適應較大應變率作用下的塑性變形,微觀組織演變形成了層狀的細長超細晶,並在碳化物內部形成多個平行的位錯滑移,將碳化物切割成許多超細的片層結構。最後,在最高應變和應變率的表面,由於位錯的劇烈運動,表微結構形成了奈米級晶粒和碳化物。基於LSP產生的細晶強化、析出相強化和位錯強化,AISI420馬氏體不鏽鋼的顯微硬度、抗拉強度和伸長率分別提升137.9%、24.3%和47.8%。總之,這項工作有助於全面瞭解AISI420馬氏體不鏽鋼中基體和碳化物雙相梯度奈米結構的形成機制和力學強化行為。
*感謝論文作者團隊對本文的大力支援。
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