1. 简介
实现金属材料优异综合力学性能的一条可行途径是获得具有低位错密度的均匀纳米晶（NC）或超细晶（UFG）结构。
本研究对316不锈钢（SS）进行了高压扭转变形（HPT）及后续适当退火处理，首次成功制备出具有均匀微观结构的NC/UFG 316不锈钢，其平均晶粒尺寸在46 nm至2.54 μm范围内可调控，且位错密度较低。
研究发现，NC/UFG晶粒中的位错稀缺性不仅带来常规晶界强化的效果，还显著额外提升了强度，这为通过宽范围晶粒尺寸调控材料力学性能提供了极大自由度。在系列样品中，最小晶粒尺寸（46 nm）的试样实现了前所未有的高屈服强度（2.34 GPa），其中位错稀缺性贡献了57%的强度。另一方面，完全再结晶的试样（晶粒尺寸0.38 μm，为迄今报道的最细再结晶晶粒）展现出优异的强度-塑性协同效应，兼具高屈服强度（900 MPa）和大均匀延伸率（27%）。再结晶UFG材料的高屈服应力及位错源稀缺性，促使变形过程中从晶界处激活堆垛层错和形变孪晶，这些变形模式与位错的相互作用实现了持续的加工硬化，这也与近期提出的“塑性单元”（plaston）概念相吻合。多重变形模式的激活与有效的强化机制共同作用，使得该材料表现出卓越的综合力学性能。
2. 文章亮点
1. 首次实现均匀纳米/超细晶316不锈钢的可控制备
通过高压扭转变形（HPT）结合精确退火处理，首次成功制备出晶粒尺寸均匀（46 nm至2.54 μm）、位错密度低的NC/UFG 316不锈钢，突破了传统方法难以兼顾均匀性与晶粒尺寸控制的难题。
2. 揭示“位错稀缺性”的额外强化机制
发现NC/UFG材料中位错稀缺性可显著提升强度（贡献高达57%），并量化其与晶界强化的协同作用，为高强度材料设计提供了新思路。
3. 实现超细晶再结晶材料的强塑性协同
在完全再结晶的UFG试样（晶粒尺寸0.38 μm）中，通过激活晶界处层错和形变孪晶，获得900 MPa屈服强度与27%均匀延伸率的优异组合，突破了传统细晶材料的强度-塑性权衡关系。
3. 研究背景
316奥氏体不锈钢（SS）因含有较高比例的合金元素（Cr、Ni和Mo），具有优异的耐腐蚀性和良好的成形性，被广泛应用于汽车、建筑和核工业等领域。然而，其面心立方（FCC）晶体结构导致其屈服强度较低（200~400 MPa），限制了其在更高强度需求场景中的应用。通过晶粒细化至超细晶（UFG；
但NC/UFG材料通常因高屈服强度和有限的加工硬化能力导致塑性急剧下降。此外，制备NC/UFG结构需通过剧烈塑性变形（SPD）引入大量位错，进一步削弱其加工硬化能力。近期研究发现，由纳米结构（提供高强度）和粗晶（CGs，提升塑性）组成的异质结构可实现强度与塑性的平衡。然而，此类异质结构的取向性会导致力学性能的各向异性。
另一条潜在路径是制备低位错密度的均匀NC/UFG结构。此类完全再结晶或回复的UFG/NC结构中，存在粗晶合金中未见的强化机制，如位错稀缺性强化或晶界偏析强化。这些机制在晶界强化的基础上可额外提升强度（屈服强度或硬度增加9~120%）。此外，低位错密度为变形过程中的位错积累留出空间，从而提升加工硬化能力和塑性。因此，低位错密度的回复/再结晶NC/UFG材料可能是实现高强度与高塑性/成形性平衡的理想选择。
然而，制备均匀的NC/UFG再结晶结构极具挑战性，且高度依赖变形后材料的状态。金属材料变形后晶粒尺寸或亚结构差异显著，增加了后续处理的难度。以316 SS为例，大塑性变形后其结构通常为纳米孪晶束与NCs的混合体。不同区域的储存能差异导致再结晶过程分步进行（先NCs，后纳米孪晶束），因此仅能通过长时间或高温退火获得均匀的低位错密度结构，但NCs会因高驱动力快速粗化。文献报道显示，再结晶316 SS的平均晶粒尺寸通常超过3 μm，且强度下降。我们前期通过粉末冶金法制备了UFG尺度（0.33~1.06 μm）的再结晶316 SS，但长时间机械球磨（180 ks）引入的杂质会损害塑性。目前，制备兼具高强度与高塑性的均匀NC/UFG 316 SS仍面临挑战。
高压扭转（HPT）是一种自上而下的SPD方法，可通过极大应变制备均匀纳米结构，并产生传统塑性变形中未见的效应。关键之处在于，当应变足够大时，位错积累与动态回复达到平衡，晶粒尺寸趋于稳定，纳米孪晶束也会破碎为NCs。因此，HPT有望在变形态直接获得均匀的纳米结构，为后续退火制备理想NC/UFG结构奠定基础。
本研究对316 SS进行HPT变形，获得均匀的纳米晶变形组织，并通过适当退火首次制备出晶粒尺寸可控（46 nm~2.54 μm）、低位错密度的均匀NC/UFG 316 SS。其力学性能优于异质结构材料，展现出卓越的强度-塑性协同效应。下文将详细分析其微观结构与变形机制。
4. 图文解析
5. 文章结论
5. 结论
本研究通过高压扭转变形（HPT）结合适当退火工艺，成功制备出具有均匀微观结构、低位错密度的纳米晶（NC）或超细晶（UFG）316不锈钢，其平均晶粒尺寸可在46 nm至2.54 μm范围内调控。其中，0.38 μm的晶粒尺寸为迄今报道的完全再结晶奥氏体不锈钢中最细。通过系统研究其强化与应变硬化机制，得出以下主要结论：
-
低位错密度与位错稀缺强化
完全回复/再结晶的NC/UFG结构中，位错稀缺性在传统晶界（Hall-Petch）强化的基础上可额外提升屈服强度，且该效应随晶粒尺寸减小而增强（因退火和变形过程中晶界作为位错湮灭阱的作用加剧）。在晶粒尺寸46 nm的回复态NC试样中，位错稀缺贡献了57%的强度，最终实现了2.34 GPa的超高屈服强度。 -
优异的强塑性协同
完全再结晶的UFG试样（晶粒尺寸0.38 μm）展现出卓越的综合力学性能：屈服强度达900 MPa，均匀延伸率达27%，显著优于异质结构材料。这种性能提升源于变形过程中从晶界处激活的堆垛层错和形变孪晶与位错的相互作用，持续维持高应变硬化率。 -
变形机制与plaston概念的吻合
再结晶UFG材料的高屈服应力与位错源稀缺性促使变形初期从晶界处激活多重变形模式（如层错和孪晶），其与位错的交互作用符合近期提出的“plaston”概念，为同时实现高强度和大均匀延伸提供了新途径。 -
晶粒尺寸对性能的调控
通过退火温度调控晶粒尺寸（46 nm~2.54 μm），证实了均匀NC/UFG结构在宽范围内可自由优化力学性能的潜力，为设计高性能不锈钢提供了可靠方法。
全文链接
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.117629
本文源自微信公众号：科学拾光
原文标题：《北航+京都大学《Acta Mater》合作成果：均匀纳米晶不锈钢实现27%均匀延伸率》
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/pfge0nHNHAWnOruFHEAtZA
本转载仅出于分享优质测试干货，旨在传递更多观点，并不代表赞同其全部观点或证实其内容的真实性。文章中所包含的图片、音频、视频等素材的版权均归原作者所有。如有侵权请告知删除。
