高氮CrMn奥氏体钢在293-77K拉伸测试中的局部晶格畸变与相变机制研究

本研究针对高氮无镍奥氏体钢在低温下的相变机制不明确问题，通过X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)技术，揭示了CrMnN钢在293-77K拉伸过程中FCC晶格参数非线性变化规律，发现230K时局部畸变触发γ→Ort→ε相变序列，为低温TRIP效应（相变诱导塑性）优化提供理论依据。

　　

高氮无镍奥氏体钢因其卓越的低温力学性能和耐腐蚀性，成为极端环境应用的理想材料。然而，其低温变形过程中复杂的相变机制和晶格畸变行为长期存在争议——例如，传统观点认为γ→ε马氏体转变直接发生，但最新研究表明可能存在中间相。这种认知空白限制了材料在液氮温区（77K）的应用潜力。为此，俄罗斯科学院西伯利亚分院强度物理与材料科学研究所（ISPMS SB RAS）团队在《Materials Today Communications》发表研究，通过多尺度表征技术揭示了CrMnN钢在293-77K拉伸过程中的动态相变路径。

研究采用X射线衍射（XRD）和透射电子显微镜（TEM）为核心技术，结合电子背散射衍射（EBSD）分析，对经过1373K固溶处理的CrMnN钢（成分见表1）进行低温拉伸测试。样本队列来源于实验室感应炉熔铸的板材，经锻造和电火花切割制备标准试样。

EBSD分析
初始淬火钢的EBSD图谱显示平均晶粒尺寸35μm，含大量Σ3孪晶界（占比近50%），对应层错能（SFE）低至21 mJ/m²，预示显著的变形孪生倾向。

XRD研究
冷却过程中FCC晶格参数呈现非单调下降，在183K出现拐点，此时堆垛层错（SFs）浓度达峰值。拉伸后原子均方位移最大值迁移至230K，表明该温度下晶格畸变最剧烈。

TEM观察
低温区（<230K）FCC晶格局部畸变减弱，源于γ→正交晶系（Ort，a=4.158?, b=4.979?, c=4.377?）→ε（HCP）的级联相变。正交相晶胞体积变化规律证实其作为中间相的关键作用。

结论与意义
该研究首次明确CrMnN钢低温相变遵循γ→Ort→ε序列，修正了传统γ→ε直接转变模型。230K被确定为晶格畸变阈值温度，触发后续相变链。这一发现为调控TRIP效应提供了新靶点——通过成分设计（如调整Cr/Mn/N比例）或工艺优化（控制晶粒尺寸至1-2μm）可稳定正交相，从而增强低温韧性。此外，正交相晶格参数的精确测定为多尺度计算模拟提供了关键输入数据。研究不仅解决了学术争议，更为开发极端环境用高强韧钢奠定了理论基础。