高应变率塑性变形诱导纳米晶表层的微观结构演化机制与力学性能研究

为解决316L不锈钢表面强化与塑性协同调控难题，研究人员采用金刚石旋转滚压(DRRT)技术实现高应变率(250 s?1)剧烈塑性变形(SPD)，构建梯度纳米结构。发现表面硬度达575 HV，抗拉强度757 MPa时仍保持38%均匀延伸率，揭示γ→ε→α'与γ→孪晶→α'两种马氏体相变机制共存现象，为高强韧材料设计提供新思路。

　　

在材料科学领域，如何实现金属材料表面强化与塑性变形的协同提升一直是重大挑战。传统表面处理技术往往在提高硬度的同时导致塑性急剧下降，而316L奥氏体不锈钢作为生物医用和核电领域的关键材料，其表面性能优化需求尤为迫切。现有研究表明，表面纳米晶化(SNC)技术能显著改善材料性能，但高应变率条件下微观结构演化机制尚不明确，特别是马氏体相变与晶粒细化的交互作用机制亟待揭示。

针对这一科学问题，中国的研究团队在《Materials Characterization》发表重要成果，通过自主研发的金刚石旋转滚压处理(DRRT)技术，在316L不锈钢表面实现了应变率高达250 s^?1的剧烈塑性变形(SPD)。研究创新性地采用X射线衍射、透射电镜等表征手段，结合力学性能测试，系统解析了高应变率SPD过程中多尺度结构的协同演化规律。

关键技术方法包括：1) 采用DRRT技术实现可控高应变率(50-250 s^?1)表面处理；2) 通过X射线应力分析仪测量梯度残余应力分布；3) 利用电子背散射衍射(EBSD)和透射电镜(TEM)解析微观结构演变；4) 采用显微硬度计和万能试验机评估力学性能。

研究结果：

1. 力学性能提升：DRRT处理后试样表面硬度达575 HV，硬化层深度达1100 μm；最优试样抗拉强度757 MPa时仍保持38%均匀延伸率，实现强度-塑性协同提升。
2. 残余应力分布：在加工方向(MD)和垂直方向(PD)分别产生-421 MPa和-689 MPa的最大压应力，有效抑制裂纹萌生。
3. 微观结构特征：发现由表及里的梯度结构演变，表层为100 nm以下纳米晶，伴随位错、层错、孪晶等多重缺陷。
4. 相变机制差异：揭示应变率依赖的两种马氏体相变路径——表层高应变区遵循γ→ε(hcp)→α'(bcc)转变，而深层低应变区呈现γ→孪晶→α'转变。
5. 去孪晶现象：首次在高应变区观察到孪晶消失现象，推测与ε-hcp中间相抑制效应相关。

结论与讨论：
该研究阐明了高应变率SPD过程中晶粒细化与马氏体相变的协同演化机制。DRRT技术通过引入梯度纳米结构和多相组织（fcc-γ、bcc-α'、hcp-ε），同时激活位错强化、相变强化和细晶强化三种机制。特别值得注意的是，ε-hcp相的"缓冲效应"既促进了α'马氏体形核，又通过抑制孪晶生长导致去孪晶现象，这种独特的相变路径调控为材料强韧化设计提供了新思路。研究成果对发展高性能表面工程技术和拓展SPD理论体系具有双重意义，在医疗器械、核电装备等高端领域展现出重要应用前景。