7 K下CHN01不锈钢中锯齿流的空间时间动态：声发射与数字图像相关技术的联合研究

《Cryogenics》：Spatiotemporal dynamics of serrated flow in CHN01 stainless steel at 7?K: a combined acoustic emission and digital image correlation study

　　

Rong Bao|Jingjing Dai|Mutong Liu|Wentao Sun|Chuanjun Huang|Laifeng Li|Yuan Zhou

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  声发射和数字图像相关技术可用于追踪7?K下CHN01锯齿流的空间时间动态变化。
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  数字图像相关技术可显示持续固定在相同位置的局部剪切带。
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  声发射信号聚类现象表明，在重新加载过程中存在强烈的持续微观塑性变形。
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  声学转变能够实时预示局部屈服事件的发生。

引言

在极端环境下，结构材料的工程可靠性对于超级导电技术的发展至关重要，这类技术包括高能粒子加速器以及像ITER这样的核聚变反应堆[1]、[2]、[3]。在这些应用中，相关组件需要在低温条件下承受巨大的机械负荷。在各类候选材料中，氮强化的奥氏体不锈钢因其较高的屈服强度、韧性以及在低温下的磁导率稳定性，已成为磁体环和支撑杆等关键结构的首选材料[4]、[5]。在所有这类合金中，CHN01的机械性能优于传统的300系列不锈钢[6]。氮元素的加入起到了固溶强化作用，同时还能显著提升奥氏体相的稳定性，从而抑制因变形引发的马氏体转变，而这种转变通常会降低其他合金在低温下的延展性[7]、[8]。因此，评估CHN01在低温下的机械行为对于大型超级导电系统的安全评估而言十分重要。

尽管CHN01性能优异，但其在低温下的塑性变形并非连续进行，而是表现为一种极为不稳定的、呈断续状的流动现象，即锯齿流[9]、[10]。这种现象的特征是宏观应力-应变曲线中出现反复的、突然的应力下降，同时还会伴随可听见的声学响声以及试样表面的局部应变突变[11]。目前关于锯齿流的理论解释主要分为两类：热机械不稳定性和内在机械不稳定性[12]、[13]。前者认为锯齿状变化是由绝热加热引起的。在接近绝对零度的温度下，金属材料的比热容会急剧下降，往往比室温下的值低几个数量级，同时热导率也会降低[14]。这样一来，局部塑性变形产生的热量无法立即散失，从而导致局部温度骤升，进而引发热软化，使得滑移变得不稳定[15]、[16]。相反，机械不稳定性假说则认为锯齿状变化是由突然的微观结构变化引发的，比如堆积的位错集体崩塌，或是变形孪晶的快速析出，而这些现象在低堆垛故障能合金中较为常见[17]、[18]。在这种观点下，局部加热被视为不稳定性的结果而非根本诱因。要区分这两种成因相当困难，因为在灾难性失效发生时，它们常常通过复杂的反馈机制相互关联。最近的研究表明，这两种成因并非相互排斥，Kim等人有力地证明了这两种现象并非独立存在，而是以协同机制共同发挥作用，即突然的微观结构变化作为机械触发因素，随后又因强烈的热软化而被放大[19]。

为了解释这些不稳定性，有必要将宏观变形带与微观内部缺陷联系起来。虽然事后对微观结构的分析能够提供变形状态的静态图像，但这类方法无法捕捉到变形过程的实时动态变化[20]、[21]。数字图像相关技术作为一种强大的光学手段，能够生成全场动态的表面应变图[22]、[23]。然而，将其应用于极低温环境时，往往会受到诸多环境因素的制约，比如观测窗口结霜，以及液态冷却剂蒸发导致的严重光学畸变[24]、[25]。在微观尺度上，声发射技术则是一种无损检测方法，能够检测由微观事件释放出的瞬态弹性波[26]、[27]。不过，此前大多数关于声发射特性的研究都仅在室温或液氮温度下进行[28]、[29]。在极低温环境下，传统的压电传感器由于其结构不稳定而难以使用[30]。尽管有人提出利用波导将信号传出低温实验装置，但信号衰减和界面噪声往往会影响数据质量[31]、[32]。更重要的是，仅依靠声发射或数字图像相关技术其中之一都是不够的——声发射缺乏宏观空间分辨率，而数字图像相关技术则无法在微观事件在表面显现之前检测到它们。因此，目前还不存在能够在7?K下将高精度声发射信号与表面变形场同步记录的实验研究。

本研究旨在探讨7?K下CHN01锯齿流的时空演化规律。为此，研究人员搭建了一种专门的实验装置，该装置结合了传导冷却平台、光纤声发射传感器以及高分辨率数字图像相关系统。这样的配置使得可以同时获取机械数据、声学数据和应变数据，且不会受到液态冷却剂或光学畸变的干扰。本研究的核心目标是建立宏观应力下降、局部变形带传播与瞬态声学爆发之间的定量关联，通过将微观特征与宏观应变分布联系起来，阐明CHN01在低温下出现塑性不稳定的物理机制。

章节节选

材料

本研究所分析的材料是一种由XUANSTEEL公司生产的氮强化CHN01合金。为了获得细腻且极其纯净的微观结构，该基体材料经过了电渣重熔处理。这种处理方式能够有效减少非金属夹杂物，从而确保材料在低温下仍具有较高的断裂韧性。表1详细列出了CHN01的化学成分，数据均为重量百分比。

经过电渣重熔处理后，

宏观拉伸行为与锯齿流特性

图2a展示了CHN01在300?K和7?K条件下的典型工程应力-应变曲线。在300?K时，该材料表现出典型的面心立方合金的连续且稳定的加工硬化行为，其屈服强度约为450?MPa，总伸长率超过40%。整个流动曲线十分平滑，没有出现塑性不稳定的迹象，这种行为与热激活位错滑移机制相符。在300?K时，

应力下降、变形带与声发射爆发的定量关联

在7?K条件下，同时获取机械数据、数字图像相关应变场以及声发射信号，可以实现三者的相互关联分析。研究结果表明，三种测量方式之间存在明确的、与阶段相关的同步现象。具体而言，在应力积累阶段，数字图像相关分析显示几乎没有宏观应变积累，而此时微观缺陷间的相互作用则会产生集中的声发射信号；而在宏观应力下降阶段，数字图像相关技术则能够捕捉到应变水平的突然上升

结论

本研究阐明了7?K下氮强化奥氏体不锈钢CHN01锯齿流的空间时间演化规律。通过将宏观力学测试与原位数字图像相关技术和声发射技术相结合，本研究得出了以下主要结论：

• (1)
  7?K下观察到的锯齿流是由机械触发与随后的热放大共同作用形成的。这种现象的产生是由于热激活机制受到抑制

各作者的贡献说明

Rong Bao：负责原文撰写、可视化处理、软件应用、方法设计、实验研究以及概念构思工作。Jingjing Dai：负责可视化处理、结果验证以及数据整理工作。Mutong Liu：负责实验研究以及数据整理工作。Wentao Sun：负责原文的审阅与编辑、项目监督以及项目管理工作。Chuanjun Huang：负责原文的审阅与编辑、方法设计以及概念构思工作。Laifeng Li：负责项目管理工作以及资金筹集工作。Yuan Zhou：负责正式数据分析以及概念构思工作。