1. 简介

通过实验与数值模拟方法，研究了热老化处理对双相不锈钢中奥氏体相和铁素体相变形行为的影响。重点探讨了铁素体相在热老化过程中发生的调幅分解（spinoidal decomposition）对合金力学性能的作用机制。研究采用单晶微柱压缩试验，对比分析了老化前后两相的力学响应，并结合原子探针断层扫描（APT）和透射电子显微镜（TEM）观察了铁素体分解产物及其位错结构。此外，基于位错密度的晶体塑性模型被分别构建用于描述奥氏体和铁素体相的力学行为，并通过微柱试验数据进行了校准。

结果表明，奥氏体相中初始位错密度更高且分布更均匀，导致其微柱变形行为较铁素体相更均匀。铁素体相的调幅分解显著提高了其初始流动应力。晶体塑性模拟结果成功复现了热老化对铁素体相的强化效应及其局部化变形特征，这归因于老化后铁素体中位错运动障碍（位错与新形成的α′相界面）密度增加。此外，未老化奥氏体、老化奥氏体及未老化铁素体微柱均表现出明显的尺寸效应，而老化铁素体微柱则无此现象。这种差异源于前者的位错平均自由程受微柱直径控制，而后者则受限于调幅分解产生的约5 nm宽富Cr畴结构。

2. 文章亮点

1. 热老化对双相不锈钢单晶相变形行为的定量表征
通过微柱压缩实验结合APT/TEM技术，首次定量揭示了铁素体相调幅分解（~5 nm Cr富集畴）导致其流动应力显著提升（200%），而奥氏体相因位错密度分布均匀仅产生轻微变化（

2. 基于位错密度的晶体塑性模型开发
建立了考虑位错-α′相界面相互作用的晶体塑性模型，成功预测了老化铁素体的局部化变形特征，并通过微柱实验数据校准了模型参数（如初始障碍密度提升至未老化状态的3倍）。

3. 尺寸效应与调幅分解的竞争机制解析
发现老化铁素体微柱（~4 μm）因调幅分解畴（~5 nm）主导位错平均自由程而消除尺寸效应，而奥氏体及未老化铁素体仍受微柱直径控制，为微观结构设计提供了新见解。

3. 研究背景

双相不锈钢（DSSs）因其优异的力学性能、耐腐蚀性、延展性及相对较低的成本，被广泛应用于核电站主冷却管道材料。然而，DSSs在280-320°C温度范围内长期服役后会发生热老化脆化。热老化会导致强度升高、延展性和韧性下降，进而严重劣化DSSs的服役性能。因此，热老化引起的微观结构退化成为核反应堆功率提升和寿命延长的主要挑战之一。

为预测DSSs在高温服役中的微观结构退化，需明确其铁素体相和奥氏体相在不同老化条件下的微观结构变化。已知铁素体相在老化过程中会分解为富Cr（α′）和贫Cr（α）区域，这一调幅分解（spinodal decomposition）过程被认为是DSSs热脆化的主要机制。此外，铁素体相中还会析出Ni-Si-Ti基金属间化合物（G相），产生沉淀强化效应。相比之下，奥氏体相的微观结构在热老化过程中无明显变化。通过纳米压痕等实验已证实，老化后铁素体相硬度显著增加，而奥氏体相硬度几乎不变。

微柱压缩技术为研究单晶相在纳米/微米尺度的单轴力学响应提供了有效手段。Li等对DSS各相进行单晶微柱测试，发现铁素体相比奥氏体相具有更高强度。此外，文献普遍报道微柱尺寸越小，塑性变形时的流动应力越高，这一尺寸效应与“位错饥饿”机制相关：小尺寸微柱中位错更易从自由表面逃逸，导致可动位错密度降低，需通过新位错形核维持塑性流动。Guo等进一步指出，铁素体微柱经长期热老化后出现显著硬化，主要源于调幅分解。

由于聚焦离子束（FIB）加工导致的微柱锥度几何和非对称滑移取向，微柱压缩变形呈现高度不均匀性。为解析单晶相的复杂变形行为，需结合晶体塑性有限元方法。基于物理的晶体塑性模型已成功用于多晶金属材料的晶粒尺度变形研究，例如Li等通过原位中子衍射验证了不锈钢晶粒局部应变演变的模拟结果。

本研究通过实验（单晶微柱测试、TEM观察）与数值模拟（晶体塑性有限元），探究了商用双相不锈钢Z3CN20-09M在老化前后奥氏体相和铁素体相的变形行为与位错结构。核心目标是揭示调幅分解对DSS力学行为的影响机制，并开发预测工具以优化微观结构和服役条件，避免热老化引发的失效。全文结构如下：第2节介绍材料与实验方法，第3节阐述FCC奥氏体和BCC铁素体的超弹性晶体塑性模型，第4节展示微柱测试与TEM结果及模型校准，第5节总结主要结论。

4. 图文解析

5. 文章结论

通过实验与数值模拟相结合的方法，本研究系统探究了热老化对双相不锈钢Z3CN20-09M中铁素体相和奥氏体相变形行为的影响。实验结果表明，铁素体相在热老化过程中发生的调幅分解（形成约5 nm宽的富Cr α′畴）显著提高了其初始流动应力（增幅达200%），而奥氏体相因初始位错密度更高且分布均匀，其力学性能受老化影响较小（变化

基于位错密度的晶体塑性模型成功复现了铁素体相因老化导致的强化效应及其局部化变形特征。模型校准表明，老化铁素体中位错运动障碍密度（位错与新形成的α′相界面）需提高至未老化状态的3倍，才能准确描述实验观测的流动应力提升。透射电镜观察进一步证实，老化铁素体中高密度位错与α′畴的相互作用是塑性变形局部化的主要原因。

本研究建立的晶体塑性框架为预测双相不锈钢在高温服役中的微观结构退化提供了可靠工具。未来工作可结合更复杂的多相模型，进一步探究热老化对相界变形协调性的影响，以优化材料设计并延长核电站关键部件的服役寿命。

全文链接

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119599