扭转试样(北科大发表顶刊：新方法突破高锰钢充氢后的强韧性权衡困境)

Posted 2023-05-27

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扭转试样(北科大发表顶刊：新方法突破高锰钢充氢后的强韧性权衡困境)

导读：本文通过慢应变速率拉伸试验研究了具有不同梯度孪晶结构的孪晶诱发塑性 (TWIP) 钢的孪晶和氢脆(HE) 行为。结果表明，梯度设计可以非常有利于缓解 TWIP 钢的强度-延展性权衡困境，特别是在氢环境下。在阴极充氢后的不同结构中，最突出的是逆梯度结构材料，它综合利用了样品边缘区域的细小再结晶晶粒和中心粗粒梯度设计，有效降低了氢脆HE，提高综合力学性能。

由于高强度和延展性的出色结合，高锰孪晶诱导塑性 (TWIP) 钢已成为许多汽车制造和自动化行业应用的流行材料。许多研究将这种独特的特性组合归因于“动态 Hall-Petch”效应，这是由应变过程中连续形成双胞胎引起的。通常，拉伸变形过程中产生的总孪晶体积分数由层错能 (SFE)决定. 一些统计结果表明，TWIP钢的孪晶体积分数在应变过程中会达到一个相对饱和的值，从而无法为材料提供进一步的加工硬化。也就是说，如果提前引入变形孪晶来强化材料，例如通过预变形，必然会降低后续拉伸变形中产生的总孪晶体积分数，导致加工淬透性和拉伸延展性降低。因此，研究人员试图通过利用梯度设计减少预变形过程中引入的孪生体积分数来避免强度-延展性权衡的困境。此外，大量研究报告说，通过在材料中引入这种梯度结构，可以在变形过程中引起额外的加工硬化。与传统的预应变试样相比，梯度材料不仅表现出相似的屈服强度，而且在抗拉强度和伸长率方面都有显著提高。采用纯剪应力的预扭转处理可以在不改变材料表面形貌的情况下沿径向产生深梯度结构，从而提高综合力学性能。因此，合理的双梯度分布设计可能会更好地协调强度和延展性之间的关系。

与马氏体材料相比，奥氏体钢相对较高的氢溶解度和较低的氢扩散系数使得这些材料对于储氢应用非常有吸引力。然而，尽管奥氏体材料的屈服强度低，但在暴露于富氢环境时仍会发生延迟开裂，从而导致机械退化。作为 TWIP 钢的一个突出特点，孪晶可以成为设计高氢脆钢的突破口 (HE)。然而，它们在氢环境中的机械行为中的作用仍然存在争议。一般来说，孪晶和晶界之间的交点是潜在的氢致裂纹 (HIC) 萌生点，这会进一步促进裂纹的形核和扩展，这是机械降低的主要原因。相比之下，孪晶界可以成为奥氏体材料中的强氢势垒。此外，高孪晶边界密度可以限制滑移局部化并提高 HE 电阻[26]. 因此，目前使用的设计方法旨在（i）调整 SFE（减小晶粒尺寸）以抑制孪晶的形成，从而减少裂纹成核位置；或 (ii) 引入致密孪晶边界（通过预应变或动态塑性变形）以延迟氢扩散并减轻由于氢富集引起的应力集中。然而，在这两种方法中，材料抗 HE 性能的提高是以牺牲大部分延展性为代价的。

强度和延展性总是对立的，也就是说，提高一个通常是以牺牲另一个为代价的。此外，强度的增加往往会降低材料的 HE 敏感性，导致材料在暴露于含氢环境时延展性下降更明显。因此，在保证强度提高的前提下，显著提高材料的伸长率和抗HE性能成为当务之急。考虑到奥氏体的低氢扩散系数，近表面区域对提高抗 HE 性能起着重要作用。因此，梯度微结构在这项研究中，通过预扭转处理和随后的热处理的概念来调整变形孪晶分布。在表面区域（包含高孪晶体积分数或细晶粒的区域）具有优异的抗HE性能并在中心区域提供足够的延展性的复合材料应该能够同时满足上述两个要求。当前工作的主要目的是结合梯度孪晶结构的设计来缓解高锰钢的强度-延展性权衡。在富氢环境中。本研究的主要内容包括阐明三种不同梯度孪晶结构在应变过程中的孪晶行为，并比较它们各自的HE行为之间的差异。

北京科技大学宿彦京教授团队通过调整孪晶的分布得到了三种不同类别的材料：正梯度孪晶结构试样、非梯度孪晶结构试样和逆梯度类孪晶结构试样。在阴极充氢后进行SSRT，以阐明这些不同结构对强度-延展性权衡的影响，特别是在氢气存在的情况下，结论如下：

(1) 与大多数传统变形工艺一样，随着预扭程度的增加，强度的增加是以牺牲延展性为代价的，但梯度结构设计确实是在不牺牲大量变形的情况下提高TWIP钢强度的更好途径延展性。

(2) 材料边缘区域孪晶体积分数的增加可以阻碍氢的扩散，减少脆性区面积。它还可以分散氢原子并缓解应力集中，从而降低开裂的趋势并实现高HE电阻。

(3) 与边缘区域孪晶密度高的梯度孪晶结构相比，边缘区域再结晶晶粒的逆梯度结构消除了大量的氢陷阱，导致在相同条件下捕获的氢更少。氢气预充环境。同时，它还延缓了变形孪晶的形成，从而减少了潜在的应力集中点，从而提高了抗 HE 能力。高预扭转与部分再结晶热处理相结合是解决高锰钢强度-延展性权衡的一种新颖且有前景的途径，尤其是在富氢环境中。相关研究成果以题“Alleviating the strength-ductility trade-off dilemma in high manganese steels after hydrogen charging by adjusting the gradient distribution of twins”发表在腐蚀领域顶刊Corrosion Science上。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010938X22004978#fig0090

图 1。(a) 高锰奥氏体钢的热机械加工方案；(b) 拉伸样品的几何形状（以毫米为单位）；(c) PT0 试样的 EBSD 逆极图 (IPF) 图和 (d) PT0 试样平均晶粒尺寸的统计分布。

图 2。所有研究样本横截面的 (af) 中心、(gl) 四分之一和 (mr) 边缘区域的 EBSD-KPQ 图。

图 3。(a) XRD图谱和(b) 4个不同扭转度试样(PT0, PT90, PT180, PT360)横截面不同位置孪生体积分数的变化。

图 4。PT360 的 TEM BF 图像：（a，b）PT360 中心；(c, d) PT360 边缘。

图 5。PT0 试样的 EBSD-KPQ 图在 (a) ε = 10%, (b) ε = 20%, (c) ε = 30%, (d) ε = 50%, (e) ε = 60% 和 ( f) ε = 80%；(g) 双体积分数随 PT0 试样应变水平的变化。

图 6。所有研究样品（PT0、PT90、PT180、PT360、PT0-Y、PT360-R）的硬度随深度的分布。

图 7。(a) 充氢和不充氢的所有研究样品的工程应力-应变曲线（紫色数据点代表预充 30 小时，其余为 72 小时）；(b) 伸长率和 HE 敏感性，(c) 极限抗拉强度和 HE 敏感性相对于无 H 和带 H 样品中不同孪晶分布的变化；(d) 所有研究样品的极限抗拉强度与伸长率；所有研究样品（e）没有和（f）充氢的SSRT后的XRD图谱。

图 8。无 H 试样的断口：(a) PT0、(b) PT90、(c) PT180、(d) PT360、(e) PT0-Y 和 (f) PT360-R。短黄线描绘了裂纹形态。（g，h）（a）中特定区域的更高放大倍数。

图 9。H 带电试样的断口图：(a) PT0-H，(c) PT90-H，(e) PT180-H，(g) PT360-H，(i) PT0-YH 和 (k) PT360-RH。短黄线描绘了裂纹形态。虚线表示受氢影响的区域。（b，d，f，h，j，l）（a，c，e，g，i，k）中特定区域的高倍放大图像。

图 10。测量无 H 试样的表面特征和相应的整体形态：（a）PT0，（b）PT90，（c）PT180，（d）PT360，（e）PT0-Y 和（f）PT360-R。

图 11。测量带氢样品的表面特征和相应的整体形态：（a）PT0-H，（c）PT90-H，（e）PT180-H，（g）PT360-H，（i）PT0-YH和（ k) PT360-RH。（b，d，f，h，j，l）（a，c，e，g，i，k）中特定区域的更高放大倍数。所有研究样本的 (m) 平均裂纹长度、(n) 每个裂纹的最大宽度、(o) 裂纹数密度和 (p) 裂纹面积分数的变化。

图 12。(a 1 , b 1 , c 1 , d 1 , e 1 ) 中心、(a 2 , b 2 , c 2 , d 2 , e 2 ) 四分之一和 (a 3 , b 3 , c )的 EBSD-KPQ 图3 , d 3 , e 3 ) PT360 试样在应变过程中横截面的边缘区域。(f) 沿 PT360 试样横截面半径的不同位置处，孪晶体积分数随应变的变化。

图 13。(a 1 , b 1 , c 1 , d 1 , e 1 ) 中心、(a 2 , b 2 , c 2 , d 2 , e 2 ) 四分之一和 (a 3 , b 3 , c )的 EBSD-KPQ 图3 , d 3 , e 3 ) PT360-R 试样在应变过程中横截面的边缘区域。(f) PT360-R 试样横截面不同位置处孪晶体积分数随应变的变化。

图 14。所有调查样本的氢含量。

图 15。H 带电样品的 HMT 图像：(a) PT0-H，(b) PT360-RH，和 (c) PT0-YH。描绘氢原子分布的示意图：（d）PT0-H，（e）PT360-RH，和（f）PT0-YH。

图 16。H 带电应变试样的 SEM 图像：(a) PT0-H-10%，(b) PT0-YH-10%，(c) PT360-RH-10%（黄线代表变形孪晶），(d) 描述孪晶和晶界交叉处裂纹萌生的示意图。

图 17。在 SSRT 期间测量 H 带电预应变试样的表面特征和相应的整体形态（在名称中表示为第三个 % 值）：（a）PT0-H-10%，（b）PT0-H-20%， (c) PT360-H-10%，(d) PT360-H-20%，(e) PT0-YH-10%，(f) PT360-RH-10% 和 (g) PT360-RH-30%。(h) 充氢试样中裂纹面积分数随不同工程水平的变化。(i) 描述裂纹沿晶界扩展的示意图。