柯氏气团与不连续屈服的关系及动态应变时效的产生机理

科里奥利气体团簇首先由科特雷尔发现并提出。钢在一定条件下会形成富含间隙原子的原子气体团簇，这是铁素体钢不连续屈服和屈服点高的原因。在低堆垛层错能 (SFE) 材料的塑性变形过程中，科里奥利气穴的形成会导致应力不连续。金属中的不连续塑性流动最早于 20 世纪初被研究，随后提出了模型来解释锯齿状应力-应变曲线，这种现象称为 Portevin-LeChatelier (PLC) 效应。动态应变老化（DSA）是由溶质原子科里奥利气体簇的重复形成引起的。有报道称，奥氏体不锈钢在室温下会发生DSA，并伴有形变诱导马氏体转变（DIMT），但对于马氏体中的间隙扩散影响不连续塑性流动没有物理解释。现阶段，DSA 钢中的生产机制仍不清楚。

德国奥斯纳布吕克大学的研究人员通过宽温度范围内的拉伸试验结果阐明了DSA在高碳奥氏体不锈钢Fe-13Cr-3.4Mn-0.47C中的作用机理，并提出了一种新的物理模型解释了这种关系DIMT 和 DSA 之间的关系，并探讨了 DSA 的可能起源。相关论文以“亚稳态奥氏体不锈钢动态应变时效机制”为题发表在《Acta Materialia》上。

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本文所用的Fe-13Cr-3.4Mn-0.47C钢是在真空感应炉中熔炼和铸造的。凝固后，将铸锭热锻成直径12毫米的棒材。拉伸试验温度范围为室温至500℃。研究发现，DIMT诱发DSA的发生遵循以下过程：不锈钢中DSA的活化能与马氏体中碳扩散的活化能相似。马氏体中的碳向奥氏体边界快速扩散，也使部分奥氏体转变成非热马氏体，在一定温度下具有短期热稳定性。在部分转变的微观结构中，马氏体边界附近的区域可以作为其他马氏体板条的潜在成核位置，因为它们包含高位错密度。这些区域往往会被马氏体的扩散碳原子结合，从而增加形成马氏体所需的过冷程度。根据DSA的解释，DIMT的出现是否会引起锯齿状流动取决于马氏体中碳的浓度和扩散系数。 DIMT 的动力学和奥氏体/马氏体边界面积取决于马氏体。大小和分布。

图1 不同温度下拉伸试验的应力-应变曲线及局部放大图

图2 20%预应变时的应力应变曲线和预应变后的应力应变曲线。

图3(a、b)室温拉伸后的显微组织； (c) 350°C 20% 预拉伸； (d) 350℃预拉伸20%，然后室温拉伸至断裂

通过预应变对室温拉伸变形过程中形变诱发马氏体细化及其分布更加均匀的影响，可以得出结论：一定温度下的预应变会增加室温拉伸时的DSA。在250℃和300℃时，虽然没有形变诱发马氏体，但由于奥氏体中碳原子向钉位错的充分迁移，仍然会出现不连续屈服。在400°C和450°C拉伸时，应变高达20%时未观察到锯齿现象。稳定的塑性流变性导致在此温度范围内平滑的变形曲线，这是由碳原子的高扩散率造成的。 500°C 时曲线的锯齿状外观表明不连续屈服的再现，这归因于位错与合金元素 C 和 Mn 原子的动态相互作用。

图4 不同温度拉伸过程中工程应变和DSA相关锯齿出现机制

本文通过室温至500℃拉伸试验研究了Fe-13Cr-3.4Mn-0.47C钢因动态应变时效引起的不连续塑性流动。对现有模型的改进澄清了 DIMT 和 DSA 之间的关系。该文为各种性能不锈钢的设计提供了理论依据。 （文：坡峰）