镍调控高锰轻质钢变形机制转变：位错行为与面缺陷演化的新见解

本文系统研究了镍（Ni）含量（0、2.5和5 at.%）对高锰轻质钢（Fe–26Mn–16Al–5C）变形机制的影响。通过X射线线形分析（XLPA）和透射电镜（TEM）发现，尽管所有成分的层错能（SFE）均保持约90 mJ/m2，但随着Ni含量增加，位错密度（2.75至9.56×101? m?2）和层错概率（3.3至6.3×10??）显著上升，导致变形机制从滑移细化诱导塑性（SRIP）逐步转向微带诱导塑性（MBIP）和面缺陷介导机制。Ni的添加通过促进B2析出相（NiAl）形核、增强位错交互作用，在5Ni合金中实现了优异的强塑协同（抗拉强度1126 MPa，延伸率49%）。本研究突破了传统SFE主导变形机制的范式，为高SFE轻质合金设计提供了新思路。

　　

Highlight

5Ni合金展现出卓越的强塑协同性能，其极限抗拉强度达到1126 MPa，比2.5Ni和0Ni合金分别高出35%和41%，同时仍保持高延伸率（49%，与0Ni和2.5Ni的53%相当）。

Section snippets

Experimental

通过多步工艺制备了三种名义成分为Fe-26Mn-16Al-5C-xNi（x = 0、2.5、5 at.%）的高锰轻质钢。原材料在氩气气氛下真空熔炼，经1200°C均匀化处理2小时，热轧后立即水淬至室温。淬火板随后冷轧至最终厚度1 mm。

Quantification of microstructural parameter

采用X射线线形分析（XLPA）对三种断裂轻质钢样品中位错引起的晶格畸变所产生的应变各向异性进行量化。通过计算多个布拉格反射（hkl）的平均衬度因子（C_hkl），测量晶格参数（a），识别位错特性（螺型、刃型或混合型），测定位错密度（ρ）、位错有效外截止半径（R_e），并量化了全位错相关伯格斯矢量的大小，即 b = a/2?110?。

Initial microstructure and stress-strain response

图1展示了Fe-26Mn-16Al-5C-xNi（x = 0、2.5、5 at.%）合金在1000°C再结晶30分钟后的初始微观结构的EBSD表征。所有合金均呈现完全再结晶、等轴、无织构的奥氏体晶粒，如图1(a, d, g)中的反极图（IPF）所示。定量分析显示，0Ni（55 μm）和2.5Ni（42 μm）合金的平均晶粒尺寸相近，而5Ni合金的晶粒尺寸显著细化至10 μm。

Dislocation-mediated hardening and correlation

XLPA显示，随着Ni含量增加，总位错密度从0Ni时的约2.75×101? m?2提高到5Ni时的9.56×101? m?2（图6(a)），直接贡献了更高的强度和应变硬化能力。尽管无法通过TEM图像直接定量测量断裂应变下复杂缠结的位错亚结构密度，但其为XLPA确定的趋势提供了关键的定性验证。观察到位错结构从稀疏、长而直的位错线（0Ni）演变为高度关联、缠结的位错阵列和微带（2.5Ni），最终在5Ni合金中形成由变形孪晶、B2析出相和高度局域化位错组成的多尺度障碍结构，这些障碍有效地阻碍了位错运动，从而提高了加工硬化能力。

Conclusions

本研究提出了一种新的合金设计方法，阐明Ni含量是调控高锰轻质钢变形机制的关键因素。本研究获得的主要结果总结如下：

1）5Ni合金表现出优异的强塑协同性能，极限抗拉强度达到1126 MPa，比2.5Ni高35%，比0Ni高41%，同时保持高总延伸率（49%，与0Ni和2.5Ni的53%相当）。