1. 简介

本研究通过原位拉伸透射电子显微镜（TEM）技术，系统探究了细晶粒316L不锈钢的变形行为，重点关注晶间与晶内变形机制。

结果表明：晶界是协调塑性变形的关键因素，并作为主要位错源（DS）向晶粒内部发射位错。晶内塑性变形的传播通过晶界位错源的连续激活实现。

此外，由于表观堆垛层错能（SFE）为27 mJ/m²及高内应力的协同作用，细晶样品表现出活跃的变形孪晶和扩展位错的交滑移，显著提升了其应变硬化能力。

这些发现揭示了细晶316L不锈钢塑性变形的内在机制，对设计具有优异力学性能的金属材料具有重要指导意义。

2. 文章亮点

1. 揭示晶界作为细晶不锈钢主要位错源的作用
通过原位TEM实验首次直接观测到细晶316L不锈钢中晶界（GB）作为主要位错源（DS），动态激活并发射位错至晶粒内部，颠覆了传统Frank-Read源主导Hall-Petch强化的理论，阐明了晶界通过位错塞积与应力集中协调塑性变形的新机制。

2. 阐明协同效应下变形孪晶与交滑移的强化机制
结合表观堆垛层错能（27 mJ/m²）与高内应力条件，发现细晶样品中变形孪晶与扩展位错交滑跃迁的协同作用，通过形成孪晶-层错交截与Lomer-Cottrell锁，显著提升材料的应变硬化能力，为高强度-高塑性设计提供新思路。

3. 实现细晶材料的原位动态位错活动观测
基于原位拉伸TEM技术，首次在细晶316L不锈钢中捕获动态位错源激活、孪晶成核及交滑移过程，突破了传统TEM仅静态分析的局限，为解析晶粒细化材料的动态变形机制提供了直接实验证据。

3. 研究背景

奥氏体不锈钢（ASS）因其优异的耐腐蚀性和宽温域成形性在工业中备受青睐。然而，其有限的屈服强度限制了应用范围，亟需开发力学性能更优的ASS。通过细化晶粒结构是提升钢的强度与塑性的有效途径之一。通常利用应变诱导马氏体逆转变的热机械工艺可制备细晶（FG）ASS。

关于FG ASS的变形机制仍存在若干未解问题，例如晶粒细化引发的Hall-Petch（H-P）强化的起源。主流理论认为Frank-Read源产生的位错塞积主导H-P关系，但也有观点认为晶界自身可发射位错，导致FG材料中位错密度更高从而提升强度。此外，亚稳态奥氏体通过应变诱导马氏体相变（SIMT）或变形孪晶（DT）等机制协调塑性应变。ASS的变形机制具有晶粒尺寸效应：晶粒细化可提高奥氏体相稳定性并抑制SIMT。若SIMT被抑制，晶内位错活动将成为提升FG钢力学性能的关键。然而，传统透射电镜（TEM）观测仅能捕获静态位错结构，无法捕捉动态位错源及其活动。

近年来，原位应变技术的发展极大推动了对金属材料变形机制的理解。尽管已有研究通过原位实验揭示粗晶（CG）金属的微观结构演变与位错活动，但FG ASS缺乏直接的原位TEM实验证据仍困扰其变形机制的解析。为解决这一问题，本研究通过原位拉伸TEM实验，研究经奥氏体逆转变（ART）处理的FG 316L不锈钢的晶间与晶内变形行为。

4. 图文解析

5. 文章结论

通过原位拉伸透射电镜（TEM）技术，本研究系统研究了平均晶粒尺寸为1.67 μm的细晶（FG）316L不锈钢的变形机制。

结果表明：细晶样品中的晶界作为主要位错源，通过发射位错至晶粒内部协调塑性变形。位错阵列倾向于在相对晶界处塞积，引发应力集中并激活邻近位错源，从而实现晶间塑性变形的连续传递。此外，该细晶样品具有27 mJ/m²的适宜堆垛层错能（SFE），促进了变形孪晶的形成。

高内应力与局部收缩的堆垛层错进一步提升了扩展位错的交滑移概率。观察到的变形孪晶与扩展位错交滑移显著增强了材料的应变硬化能力和力学性能。

全文链接

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2023.115538