采用EBSD技术系统研究MarBN钢在室温及高温下的拉伸变形行为

为了减少二氧化碳的排放量，建立超超临界电厂可使发电效率提高42%-46%，而这对在该环境下服役的压力容器和管道材料提出了很高的要求。MarBN钢作为一种添加了硼和氮以稳定其内部马氏体板条的优质材料，已被候选并设计应用于600 ℃以上的超超临界环境，故而其在相应服役条件下的拉伸变形行为值得被系统地研究。

来自四川大学建筑与环境学院灾变力学与工程防灾四川省重点实验室的硕士研究生邹同飞及其导师张宏副研究员团队在 Materials 期刊发表了文章 (Analysis of the Tensile Deformation Behaviors and Microstructure Characterization under Various Temperatures of MarBN Steel by EBSD)，介绍了采用EBSD技术来全面表征MarBN钢在室温及高温下的变形行为和微观机理，该项研究对于理解MarBN钢的高温力学响应具有重要意义。如图1所示是MarBN钢的初始微观结构表征结果，可以看到典型的奥氏体相与马氏体板条的分布情况。

图1. MarBN钢的初始微观结构表征：(a) EBSD反极图；(b) XRD物相测定；(c) 和 (d) TEM微观结构

作者首先对MarBN钢在室温、430 ℃和630 ℃下的单轴拉伸行为及其温度敏感性进行了分析，采用Hollomom与Ludwik公式对应力应变曲线进行拟合以获取应变硬化指数，结果如图2所示；同时，基于拟合结果提出了屈服强度与温度之间的二次多项式，主要关注了其中的热激活贡献。此外，作者针对高温拉伸过程中在屈服点附近出现的锯齿状震荡区域进行了分析，结果表明该现象与高温下溶质原子扩散和滑移的位错之间的相互作用密切相关。

图2. (a) MarBN钢在不同温度下的单轴应力应变曲线；(b) 工作硬化率；(c) 和 (d) 拟合曲线

随后，根据EBSD的微观观测结果，展示了包含IQ图、极图、反极图、施密特因子、局部平均错向角分布、几何必需位错密度等多方面的表征结果。对于单轴拉伸后破坏失效的样品，在靠近其断口和远离断口的位置分别进行取样，以此来分别表征变形程度剧烈和轻微。研究结果表明，在不同温度下参与拉伸变形与破坏的机制包含三种：晶粒的旋转、几何必需位错的形成和重排以及微孔的形核与拓展，变形机理如图3所示。MarBN钢中不同相之间在承受外部载荷后产生的应变不相容，这导致平均错向角与几何必需位错密度具有相似的分布规律。材料内部的微孔数量随着塑性应变的增加而增加，并且连接在一起逐步发展成裂纹，最终导致材料失效，而温度对于改善溶质原子扩散、强化马氏体板条的分解起着至关重要的作用。

图3. 随着应变加载MarBN钢的微观形貌变化

本文介绍了MarBN钢在室温、430 ℃以及630 ℃下的不同单轴拉伸行为，揭示了其拉伸变形机理的温度敏感性，在高温下的动态应变时效行为与其在高温下出现的锯齿状拉伸曲线形貌密切相关。关于MarBN钢的变形和失效机理，一共考虑了三种机制的作用，包括随着应变加载出现的材料内部晶粒旋转扭曲、几何必需位错的形成和重排过程、受塑性应变作用而产生变化的内部微孔。这些微观机理的发现与推断能够帮助我们更好地理解材料在变形过程所受到不同因素的影响，进而从零部件加工角度入手，帮助人们更合理地制备工业产品以满足生产需求。

原文出自 Materials 期刊

Zou, T.; Liu, M.; Cai, Y.; Wang, Q.; Jiang, Y.; Wang, Y.; Pei, Y.; Zhang, H.; Liu, Y.; Wang, Q. Analysis of the Tensile Deformation Behaviors and Microstructure Characterization under Various Temperatures of MarBN Steel by EBSD. Materials 2023, 16, 2243. https://doi.org/10.3390/ma16062243

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等。