通过预应变调节相变过程，增强FeCrNi合金中的TRIP效应

《Materials Science and Engineering: A》：Enhancing the TRIP effect in FeCrNi alloy by modulating phase transformation incubation via pre-straining

预变形处理通过引入高密度位错和堆垛层错作为变形诱导马氏体相变的形核位点，消除屈服平台并同步提升强度（510 MPa→510 MPa）和均匀延伸率（15.4%→19.7%），机制是预变形降低相变驱动力并优化相变持续性。

　　

黄昭文|苗志成|江北北|林娜|刘钊|文东辉|王安定|孔凤宇|王彪

东莞理工大学跨学科科学研究院与材料科学与工程学院，中国东莞，523808

摘要

本研究探讨了预应变对FeCrNi合金TRIP效应的调节作用及其在提高强度-延展性协同性方面的机制。研究发现，对合金进行2.5%的预应变至其下屈服点时，可以引入密集的层错、位错和变形相，为后续的变形诱导马氏体转变（DIMT）提供成核位点。因此，屈服点的下降得以消除，同时强度和延展性也得到了提升。此外，DIMT过程能够使合金获得更大的均匀拉伸应变，例如比原始样品高出28%。由于DIMT的驱动力减小，即使经过预应变处理的合金仍具有更高的位错密度、更多的层错、更大的变形硬相比例以及更小的晶粒尺寸，但其屈服强度与原始样品相当。这些结果为设计先进的TRIP合金提供了一种便捷的预应变处理策略，通过增强TRIP效应的概率和持久性来实现。

引言

基于FeCrNi的变形诱导塑性（TRIP）合金具有优异的吸能能力、耐腐蚀性和可加工性，使其成为安全防护设施、化学储罐、输送管道等应用的理想材料[[1], [2], [3], [4], [5]]。在拉伸变形过程中，TRIP合金通常表现出显著的加工硬化现象，这是由于变形诱导的马氏体转变（DIMT）[[6], [7], [8]]。然而，快速的DIMT过程会迅速消耗基体的可塑性，导致TRIP效应在短时间内终止，从而限制了强度和延展性的提升，成为开发高性能TRIP合金的瓶颈。

要实现高延展性往往需要牺牲强度，传统的加工方法难以高效且经济地克服强度与延展性之间的权衡[[9], [10], [11]]。在DIMT过程中[[12]]，层错、位错、滑移带甚至$\epsilon$马氏体可能成为连续变形过程中的马氏体成核位点[[13], [14], [15], [16]]，这会触发马氏体转变并促进塑性变形的持续进行[[17], [18], [19]]。因此，预应变是一种有前景的工程方法，可以调节TRIP合金的结构-性能关系。通过改变位错配置和DIMT过程，预应变可以有效提高亚稳态奥氏体不锈钢的屈服比[[20], [21], [22]]。然而，预应变通常会导致显著的伸长率降低，因为位错的积累和马氏体转变会消耗材料的可塑性[[23], [24], [25]]。因此，获得兼具强度-延展性协同性的TRIP合金仍然具有挑战性。

考虑到上述研究，我们探讨了预应变对Fe-18.7Cr-8.4Ni（重量百分比）TRIP合金结构-性能关系的影响。当合金预应变至其下屈服点（即原始样品约2.5%的应变，此时会出现明显的屈服点下降），然后卸载并重新加载后，合金的均匀伸长率（${\epsilon }_{ui}$）从15.4%显著增加到19.7%（增加了28%），而强度并未下降。也就是说，预应变处理后的合金保持了与原始样品相似的屈服强度（${\sigma }_{}$）和更高的极限抗拉强度（${\sigma }_{}$${\sigma }_{}$ = 510 MPa；预应变后：${\sigma }_{}$ = 800 MPa；再次预应变后：${\sigma }_{}$ = 810 MPa）。考虑到层错对DIMT过程的辅助作用，我们认为应该存在一定的马氏体转变诱导机制，这需要形成马氏体转变的成核位点。也就是说，预应变可以在后续变形之前激活马氏体转变的成核位点，类似于TRIP合金在变形过程中的自催化效应。这种机制使得DIMT过程更加稳定和持久，从而优化了材料的机械性能。预应变样品较低的DIMT驱动力进一步体现在其强度与原始样品相当，尽管前者具有更高的位错密度、更多的层错、更大的变形硬相比例和更小的晶粒尺寸。

材料与方法

本研究使用的TRIP合金化学成分为：72.9% Fe、18.7% Cr、8.4% Ni。所用原材料纯度超过99.99%（Trillion Metals Beijing Co., Ltd），采用真空感应熔炼（VIF-2，南京BYT仪器），随后进行均匀化处理（1150℃，4小时），冷轧（每次压减5%，最终压减率超过90%），以及退火处理（700℃，1小时）。样品取自退火后的板材。

结果

典型TRIP合金的室温机械性能如图1所示，相应的拉伸性能数据总结在表1中。预应变前，原始样品（命名为pre-0）的屈服强度（${\sigma }_{}$）和伸长率（${\epsilon }_{}$）分别为510 MPa、800 MPa和15.4%、17.9%。屈服后，材料迅速软化（即屈服点下降[26]，2.5%应变时的流动应力降至500 MPa，随后开始加工硬化，流动应力增加。

讨论

普遍认为，通过凝固或塑性变形引入位错、层错、硬质BCC相以及晶粒细化，可以显著提高材料的屈服强度[[34], [35], [36]]。然而，预应变后的样品（晶粒尺寸更小、位错密度更高、BCC相比例更大）仍然获得了与pre-0样品相似的屈服强度（图1、图2），这表明存在某种软化机制来补偿这些强化效应。

结论

总之，本研究提出了一种有效且易于操作的预应变工艺，能够平衡马氏体转变的概率、难度和可持续性，从而实现TRIP合金的优化强度-延展性协同性。通过预应变引入成核位点，可以降低相变驱动力并调节相变过程，消除屈服点。

CRediT作者贡献声明

黄昭文：撰写——原始草案、研究、数据整理、概念构建。 苗志成：方法学设计、研究、数据整理。 江北北：软件开发、方法学设计。 林娜：数据可视化、研究。 刘钊：软件开发、数据整理。 文东辉：方法学设计、数据分析。 王安定：撰写——审稿与编辑、监督、研究、概念构建。 孔凤宇：数据可视化、概念构建。 王彪：撰写——审稿与编辑、资源协调、项目统筹。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了广东省基础与应用基础研究基金（2024B1515130001、2022A1515140065）、中国科学技术部（2021YFA1200202）、国家自然科学基金（52201175）、广东省极端条件重点实验室以及东莞理工大学分析测试中心的支持。