Nano Materials Science: 纳米结构316L不锈钢的退火强化现象

纳米人

2021-01-26

第一作者：Zhongchen Zhou，Shuaizhuo Wang

通讯作者：李玉胜

通讯单位：南京理工大学

研究亮点：

1. 研究发现，随着退火温度的升高，α′-马氏体的体积分数先增高后降低，在400℃达到最大值，随着退火温度的进一步升高，体积分数逐渐降低。

2. 退火样品的屈服强度从1400MPa增加到1720MPa。冷轧316L不锈钢的这种显著的退火硬化现象主要归因于α′-马氏体体积分数的增加。

研究背景

奥氏体不锈钢因其良好的耐蚀性、优异的成形性和焊接性而被广泛应用于结构领域。然而，相对较低的屈服强度缩小了其适用范围。已有的实验结果表明通过不同的强化机制可以进一步提高不锈钢的强度。最近的报道显示，多种金属在退火过程中表现出了明显的硬化现象，即强度和硬度的同步提升。其中，304不锈钢中存在明显的退火硬化现象，这是归因于退火过程诱导的马氏体体积分数的增加。退火处理可促进晶界或孪晶界处的溶质原子偏聚，这从而导致合金含量较少区域中的马氏体转变温度（Ms）增加。因此，在随后的冷却过程中发生了马氏体相变。但是，关于316L不锈钢的退火行为的报道很有限。这是由于316L不锈钢相比304不锈钢具有更高的层错能和更低的马氏体转变温度，因而马氏体相变较难发生。因此，研究冷轧316L不锈钢在退火过程中的强度和硬度的变化趋势具有重要科学与工程意义。

成果简介

近日，南京理工大学朱运田教授、李玉胜副教授（通讯作者）和中科院力学研究所武晓雷研究员等合作者开展了相关研究工作，研究成果以“Hardening after annealing in nanostructured 316L stainless steel”为题在Nano Materials Science发表。该工作综合利用拉伸力学性能测试、显微硬度测试、XRD衍射分析，结合透射电镜等表征手段，对83%冷轧变形及不同温度退火的商用316L不锈钢的力学性能、微观结构进行研究，系统的分析了纳米结构316L不锈钢在退火过程中的硬化机理。

图1.（a）83%冷轧变形及退火处理316L不锈钢的工程应力应变曲线；（b）83%冷轧变形及退火处理316L不锈钢的屈服强度及显微硬度值。

图2.（a）83%冷轧变形及退火处理316L不锈钢的XRD结果；（b）马氏体基体分数随退火温度的变化关系。

图3. 不同马氏体体积分数316L不锈钢对应的屈服强度和显微硬度值。

图4.（a）83%冷轧变形及（b）400C退火处理316L不锈钢的TEM显微组织照片。

小结

综上，这项研究首次在83％冷轧变形制备的纳米结构316L不锈钢样品中发现了显著的退火硬化现象。经400C退火5小时后样品的屈服强度和HV增加至1720MPa和530HV，而83％冷轧变形样品对应的屈服强度和HV分别为1400MPa和466HV。研究结果显示，316L不锈钢样品的屈服强度和维氏硬度分别与α′-马氏体体积分数（7.5％-47.9％）呈线性关系，从而揭示了α′-马氏体体积分数的升高是退火硬化现象发生的主要原因。

参考文献

Zhongchen Zhou, et al. Hardening after annealing in nanostructured 316L stainless steel. Nano Materials Science.

DOI：10.1016/j.nanoms.2019.12.003

https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2019.12.003

作者介绍

朱运田教授简介：材料科学家，香港城市大学讲席教授。主要在纳米晶/超细晶金属与合金、炭纳米管的合成与应用领域开展研究工作，是国际ASM、APS、AAAS、TMS和MRS等多个学会会士（Fellow），获得2010年度美国矿物、金属与材料学会材料加工与制造领域杰出科学家/工程师奖和北卡州立大学杰出研究奖。在国际顶级刊物如《自然：材料》、《自然：纳米技术》、《自然通讯》、《物理评论快报》、《先进材料》上发表论文350余篇，论文总引用超过29000次。赢得了两项由美国宇航局《纳米科技简报》组织评选的Nano50 Awards奖。

武晓雷研究员，中科院力学所非线性力学国家重点实验室副主任。在Nature Materials, PNAS, Progress in materials science等期刊发表论文200余篇，主要研究方向为先进材料力学行为及其微结构机理。

李玉胜博士，南京理工大学纳米异构材料中心副教授。主要从事金属塑性变形及其力学行为研究。在Acta Materialia, International Journal of Plasticity, Scripta Materialia等知名SCI期刊发表论文60余篇，引用1700余次。

Nano Materials Science

2019年3月创刊，由重庆大学主办，香港城市大学吕坚院士任主编，全球21个国家132名知名学者任编委。NMS正式出版8期，报道了诺贝尔物理学奖获得者Kostya S. Novoselov教授、吕坚院士、卢柯院士、R.Z.Valiev院士、孙陆逸教授、付绍云教授、吕力教授、胡宁教授、黄晓旭教授、魏子栋教授、彭章泉研究员、刘天西教授、郭少军研究员等团队成果，刊文篇均被引8.226次，被68个国家及地区、296个SCIE期刊报道，已被DOAJ、INSPEC等收录，获得重庆市出版专项资金资助，获评为中国高校优秀科技期刊、重庆市一级期刊、重庆市高校期刊学术名刊、科爱公司期刊新锐奖。

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https://www.sciencedirect.com/journal/nano-materials-science