Acta Mater.：贝氏体钢中位错密度的演化：模拟和实验

【引言】

在众多的先进高强度钢（AHSS）中，贝氏体钢由于其高强度和韧性，在近几年得到了大量研究。贝氏体钢优异的机械性能应归功于其通过贝氏体转变得到的贝氏体板条状结构。由于贝氏体转变的本质，厚度在0.1-1μm范围内不等的板条中，板条内部和接近晶界处的位错密度呈现不均匀分布。此外，有研究发现厚度更薄的贝氏体往往具有更高的位错密度。因此，贝氏体钢的显微结构特征由于铁素体钢的粗粒化而显著不同。对于全贝氏体结构的贝氏体钢，塑性流动主要依靠位错滑移。由于位错分布不均匀的超精细板条厚度，塑性流动时，可能在板条晶界和位错之间存在着强相互作用。也可以说，板条晶界在贝氏体钢的机械性能中发挥着重要作用。

 【成果简介】

具有密集的板条状晶界的贝氏体钢将高强度和高韧性很好地结合起来。横跨贝氏体板条厚度方向，有着不均匀分布的位错。该篇文章从模拟和实验角度，定量研究了在贝氏体钢的位错密度演化中，具有不均匀分布位错的贝氏体板条状晶界所起的作用。

近日，香港大学的黄明欣教授在Acta Materialia上发表最新研究成果“Evolution of dislocation density in bainitic steel: Modeling and experiments”。本文首次通过两个新参量，将Kocks-Mecking模型扩展到探究贝氏体钢中晶界诱导位错的增殖和湮灭机制。初始的位错密度和贝氏体板条厚度分别通过同步辐射X射线衍射分析和显微观察获得。基于模拟和实验工作，作者发现在拉伸形变期间，板条晶界处位错的富集对位错的增殖和湮灭有着重要影响。贝氏体板条晶界处的位错密度通过现有模型估计，是板条内部位错密度的两倍，该结果和实验观测一致。

【图文导读】

图1：厚度为t的贝氏体板条的示意图。

加粗的黑线表示贝氏体板条晶界，灰色表示厚度为c的边界区域。晶界处的位错富集通过靠近板条晶界的位错密度增加表示。

图2：显微组织的SEM表征。

(a)0C-Bain1钢；

(b)0.25C-Bain2钢。

图3：(a) 0C-Bain1钢和(b) 0C-Ferrite1钢的EBSD IPF-Z分布图。

位相差角（misorientation angle）高于15^o的高角度晶界用黑线表示，2^o-7^o和的7^o-15^o的低角度晶界分别用红线和绿线表示。黄线表示1^o-2^o的位错密集的晶界。

图4：位错分布的TEM表征。

(a) 25C-Bain1钢的扫描电镜透射模式（STEM）明场图像；

(b) 0C-Ferrite2钢的透射电镜明场图像。左上角内插图为衍射矢量。

图5：钢样品的同步辐射XRD表征。

(a)0%-18%的Ferrite1钢形变过程中(2 1 1)峰宽度的演化情况；

(b)对0%应变的25-Bain3钢，同步辐射XRD观测得到的和CMWP拟合得到的图样。

图6：不同形变应变的位错密度测量值和板条厚度的倒数值。

实心点表示未变形的初始位错密度，相应的空心点表示形变状态下的位错密度。

图7：(a)0C贝氏体钢和(b)0.25C贝氏体钢的位错密度演化模拟结果。

蓝色，绿色和红色曲线表示从该模型中得到的预测结果。同种颜色的空心点相应表示CMWP方法测得的位错密度。

图8：(a)0C贝氏体钢和(b)0.25C贝氏体钢的应力-应变曲线的试验和模拟结果。

蓝色，绿色和红色曲线表示拉伸实验的结果，灰色点划线表示模拟结果。

图9：位错密度演化的模拟结果。图例定义和图7相同。

图10：(a)0C贝氏体钢和(b)0.25C贝氏体钢的位错密度的实验和模拟结果。

点表示实验数据是测量屈服应力所得数据，曲线表示模拟结果。虚线表示现有模型基于公式19的外推结果。0.25C-Bain2钢的初始位错密度，位错密度峰值和饱和值用ρ₀，ρ_p和ρ_s依次表示。

图11：总位错增加因子与板条厚度（或晶粒大小）的倒数的关系曲线。

三角，圆形和正方形点依次表示0.25C贝氏体钢，0C贝氏体钢和0C铁素体钢的数据。灰色虚线为拟合结果。随板条厚度减小，位错密度增加，因此更小的板条厚度可导致更高的位错增长速率。而晶界位错湮灭机制随板条厚度变化的可能呈现的行为不同。

【小结】

本文通过对贝氏体钢形变行为的模拟和实验，首次定量研究了贝氏体板条晶界对晶界诱导位错的增殖和湮灭产生的影响。基于当前研究的扩展位错模型，可得到以下结论：

1. 现有模型可以预测不同板条厚度的贝氏体钢和不同晶粒大小的铁素体钢中的位错演化和加工硬化。现有模型参数表示位错增殖和湮灭随板条厚度的减小而明显提高。
2. 位错演化的增强是由于贝氏体板条中位错分布不均匀产生的。晶界位错增加可以很好地解释晶界诱导位错湮灭，而晶界位错的增加和减少都可造成晶界诱导位错增殖。
3. 根据现有模型推断，距离板条边界0-0.2μm的区域，其位错密度是板条内部的两倍，与文章中的实验观察一致。

文献链接：Evolution of dislocation density in bainitic steel: Modeling and experiments（Acta Mater.，2018，DOI：10.1016/j.actamat.2018.02.023）

本文由材料人金属材料组Isobel供稿，材料牛整理编辑。

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