X2CrNiMo18-14-3钢初始形变硬化过程中结构演化的扫描接触电位法研究

《Results in Materials》：Investigation of Structural Evolution in X2CrNiMo18-14-3 Steel During Initial Deformation Hardening

本研究针对X2CrNiMo18-14-3奥氏体不锈钢在初始形变硬化阶段的微观结构演变难题，采用扫描接触电位法（SCP）这一功能性无损检测技术，在150-525 MPa拉伸应力范围内进行原位监测。研究揭示了在达到宏观屈服强度之前，材料内部已发生显著的微观剪切过程，形成了微观剪切带并积累了微塑性变形。该研究为理解结构钢从微塑性变形到屈服的临界转变机制提供了新的见解，对工程结构安全评估具有重要意义。

　　

在工程材料领域，奥氏体不锈钢因其优异的耐腐蚀性、良好的塑性和韧性，被广泛应用于化工、石油化工以及核能等关键工业领域。其中，X2CrNiMo18-14-3钢（一种典型的奥氏体不锈钢）在退火状态下通常表现出相对较低的屈服强度，但其在塑性变形过程中具有显著的加工硬化潜力，这对于通过冷成形或变形处理来提升承载部件的强度至关重要。然而，这类钢的变形行为十分复杂。在施加应力、达到宏观屈服之前，材料内部可能已经历了位错运动、微观剪切带形成等微塑性过程，这些过程影响着硬化行为、屈服的发生以及后续的疲劳或断裂性能。传统的力学测试方法（如宏观应力-应变曲线）往往难以揭示微观或亚表面层面最早期的结构演变，这促使了对能够敏感捕捉细微结构变化的无损检测技术的需求。

为了填补这一知识空白，来自俄罗斯国家研究核大学MEPhI的V.I. Surin、A.A. Abu Ghazal和A.I. Alwaheba研究人员开展了一项研究，旨在探究X2CrNiMo18-14-3钢在室温拉伸初始阶段的形变硬化过程中结构的演化。该研究采用了一种电学无损检测方法——扫描接触电位法，对拉伸应力范围在150至525兆帕（从接近零载荷直至弹性极限）内的表面电位变化进行了监测。研究成果发表在《Results in Materials》上。

研究人员主要运用了扫描接触电位法这一关键技术。该方法通过测量样品表面的接触电位差，来反映与塑性变形、表面状态变化、相变或合金元素重新分布相关的电子功函数的变化。实验在多种拉伸机上进行，并配合使用Elph-200/2和Spectroelph-FRR等电物理扫描仪进行手动和自动扫描。研究对EI-847钢（等同于X2CrNiMo18-14-3）的薄板样品进行了测试，通过分析不同固定水平下的电位图，揭示了微观结构不均匀性的演变。

3. 结果与讨论

微观剪切带与微塑性变形的早期出现：

研究结果显示，在远低于屈服强度的弹性区域内（例如150 MPa载荷下），电位图上已经可以观察到对应于结构不均匀性的单个反射点或六边形图形。随着载荷增加至σ/σ_elastic≈ 0.34（约153 MPa），这些反射点开始沿合成应力的对角线方向拉长，并逐渐合并成带状结构。这表明在宏观屈服发生之前，材料内部已经开始了轻微的位错滑移和微塑性变形的积累。

压缩带与张力带的交替：

分析发现，材料在拉伸载荷下保持稳定状态，部分原因是形成了与张力带交替出现的压缩带。这些带状的电位变化反映了材料内部局部区域应力的不均匀分布，张力带对应较高的正电位，而压缩带对应较低的电位。这种交替结构有助于维持样品表面的整体电中性。

结构不均匀性的演变与竞争过程：

随着载荷进一步增加（例如至189 MPa、204 MPa），单个反射点合并成更复杂的形状和带状结构，同时也有带状结构破碎成单个反射点的情况。这表明在局部体积内，正常应力和剪切应力之间的平衡被打破，加剧了形变强化和动态回复过程之间的竞争。当载荷接近弹性极限时（如398 MPa），电位图上出现宽的剪切带，并被组合的“张力-剪切”带所包围。

卸载与时效效应：

研究还观察了卸载后的结构弛豫现象。例如，从204 MPa卸载并室温时效一周后，电位图显示形成的异质区域减少，压缩带转变为沿电位合成分量方向延伸的广阔区域。这表明材料内部发生了不可逆的结构变化。

屈服点的过渡：

当载荷达到503 MPa，接近并超过屈服强度（525 MPa）时，电位图上出现大的剪切宏观带，标志着位错滑移机制的激活。微观层面上，主导的黄橙色区域表明流动的开始，剪切带占据了样品的整个表面，形变强化和软化过程之间的平衡被破坏。

4. 结论

本研究利用扫描接触电位法定性描述了X2CrNiMo18-14-3结构钢在室温下、拉伸应力150至525 MPa范围内的初始形变硬化阶段的结构演变。研究表明，在远未达到屈服强度时，钢中已发生显著的剪切过程，导致微观剪切带的形成和微塑性变形的积累。在弹性区域即开始了低位错强化的轻微位错滑移。随着载荷增加（σ/σ_elastic≥ 0.34），对应于剪切应力分量的反射数量增加，电位图上出现垂直于加载方向的窄剪切带。接近弹性极限时，结构强化与软化过程的竞争加剧，形成宽的剪切带。超过弹性极限后，剪切带进一步扩大并转变为占据电位图大部分面积的大形状，位错滑移机制激活，标志着向宏观塑性变形的过渡。

这项研究的意义在于，它通过高灵敏度的电学无损检测方法，揭示了奥氏体不锈钢在形变硬化最初期、传统力学测试难以捕捉的微观结构活动。这对于深入理解金属材料的早期损伤机制、预测其力学性能以及指导其在苛刻环境（如核电站组件）下的安全设计和寿命评估具有重要的理论和实践价值。同时，扫描接触电位法也展示了其在工业产品（如钻井管道螺纹连接部位）塑性变形区域检测中的应用潜力。