近期，天津大学化工学院陈旭教授团队与美国橡树岭安柯研究员团队紧密合作，通过原位中子衍射揭示滑移、孪晶或相变导致的特定相或特定晶粒取向的载荷分布及演变，从而揭示热老化双相不锈钢材料的循环硬化和软化机制。 研究发现，铁素体相的应力在原始和老化条件下都比奥氏体基体高得多。第一阶段循环硬化的增强归因于热时效对两相的强化，而第三阶段循环硬化的增强则归因于马氏体相变引起的强化。由于循环硬化和热老化后奥氏体相的马氏体相变延迟，疲劳寿命得以延长。相关工作以题为“Probing the fatigue enhancement in a thermally aged cast duplex stainless steel by in situ neutron diffraction”的研究性文章发表在Scripta Materialia。本工作得到美国橡树岭实验室中子散射部于敦吉研究员，天津大学郭灿博士，美国橡树岭实验室中子技术部付巳超研究员，和苏州热工研究院余炜伟研究员的大力支持。
研究背景
众所周知，铸造双相不锈钢(CDSS)在压水堆核电站280-500℃长期服役的过程中会发生热老化，而热老化易诱发脆化。脆化机理主要与铁素体相的微观结构变化有关：包括富含铬的α′相和富含铁的α′相通过条幅分解发生微尺度偏析、形成G相以及在相界或晶界析出碳化物和氮化物。虽然热老化对CDSS机械性能的影响已有详细记载，其特点是硬度和抗拉强度增加，延展性、夏比冲击强度和断裂韧性降低，但对其疲劳性能的影响讨论较少。根据现有的一些报告，CDSS在疲劳载荷下的循环硬化会因热老化而显著增强。在我们之前的研究中也发现，CDSS在热老化后疲劳寿命显著增强。其中，未老化试样的疲劳裂纹往往从相界开始，而老化试样的疲劳裂纹则从铁素体相开始，与脆性退化理论相一致。然而，热老化诱导的脆化如何导致疲劳性能的提高仍然令人费解，需要进一步探讨。
研究成果
本研究使用的材料是从核电一回路管材Z3CN20.09 M CDSS，疲劳试验前，分别在400 ℃下进行3000小时和10000小时的热老化。疲劳循环下的原位衍射是在橡树岭国家实验室 Spallation Neutron Source 的工程材料衍射仪Vulcan上进行。原位测试采用快慢交替循环程序，在慢循环期间，连续实时记录中子衍射数据和机械数据。材料的疲劳寿命演化及微观结构如图1所示。
图1.(a)本研究与以往研究的疲劳寿命对比。(b)加载前加载方向的衍射曲线和材料的金相结构。(c)第一个循环的应力-应变滞后环。(d)应力振幅随循环的演化。
图 2 显示了所有试样在第一个循环中的相应力和总应力。 在所有试样中，BCC 相应力远高于 FCC 相应力，这表明 BCC 相是较硬的相。 与原样试样相比，热老化几乎不会改变第一周期中 FCC 应力的演变，但 BCC 应力却显著升高。 这证实了热老化对铁素体相的强化作用。 此外，铁素体相在加载前显示出一定的压应力，在老化10000h 试样中约为 -100 MPa。这可能是与热老化引起的降解有关，包括尖晶分解 、G 相的形成以及碳化物和氮化物的析出。
图2.第一周期的总应力和特定阶段应力。(a)-(c)比较宏观应力和总应力。(d)-(f)比较FCC和BCC阶段应力。
图 3(a)和(b)显示了特定阶段应力幅值的变化。 在所有试样中，FCC 相表现出与宏观硬化相似的三阶段循环硬化行为，而 BCC 相在第一阶段表现出最小硬化，但在第三阶段进一步观察到硬化。 图 3(c) 中的总应力与宏观应力相当吻合。 由此可以推断，第一阶段的宏观硬化主要是由 FCC 相的循环硬化造成的，而第三阶段的宏观硬化则是 FCC 相和 BCC 相循环硬化的共同结果。
图3.循环过程中(a)FCC和(b)BCC相特定应力振幅、(c)总应力和(d)BCC体积分数的变化。
图 4(a)中所示的衍射峰展宽(以 FWHM/d 表示)的演变证明，FCC相的周期性硬化主要归因于位错密度的增加， 且位错在第一阶段大量积累。图 3(d) 中 BCC 体积分数的变化显示，FCC 相中 FWHM/d 在第三阶段的二次增加与马氏体相变有关。 由于马氏体相所承受的塑性变形较小。 因此，奥氏体相会发生更多的塑性变形，产生更多的位错，从而提高第三阶段的硬化程度。热老化对循环硬化的影响表现为铁素体和奥氏体相的强化。 铁素体相的强化源于热老化诱导的脆化，其典型特征是硬度显著增加。 这种强化因延展性或产生均匀塑性变形的能力降低而得到补偿。 如图 4(d)所示，在疲劳循环后的原始试样中可观察到 BCC 相的位错，但在老化10000h试样中则少得多。
图4.(a)-(b)归一化FWHM/d随循环的变化;(c)半衰期时的塑性应变振幅;(d)原样和热老化10000h在疲劳测试后的相图(红色：FCC相;绿色：BCC相)和GND密度图。
研究结论
综上所述，通过实时原位中子衍射研究了Z3CN20.09 M CDSS在长期热老化后循环硬化增强和疲劳寿命延长的机理。通过单峰拟合的晶格应变计算出了特定相的应力。结果表明，无论是否热老化，铁素体相都承受着比奥氏体相更高的应力，以上两相在热老化后都得到了显著强化。强化的奥氏体相及其延迟的马氏体相变被认为是抗疲劳性增强的原因。
本研究主要是通过原位中子衍射探究了3000小时和10000小时的热老化双相不锈钢的循环变形机制，解答了热老化后材料脆性增加而疲劳寿命反而延长的微观机制。同时本文展示了原位中子衍射试验在分析多相材料滑移、孪生、相变等变形行为的显著优势，为相关研究提供了方法借鉴。
