新设计的先进奥氏体不锈钢中动态再结晶现象的表征，用于开发液态氢存储技术

《Materials & Design》：Characterization of dynamic recrystallization phenomena in newly designed advanced austenitic stainless steels for developing liquid hydrogen storage technology

　　

本文介绍了三种新设计的奥氏体不锈钢（ASS）成分（分别命名为SS、SS-Mn和SS-Nb）的动态再结晶（DRX）行为，旨在通过热机械加工开发和生产用于液态氢（LH2）存储系统的先进高强度材料。合金SS本质上是含有0.09 wt% N的304 L，SS-Nb是其微合金化变体，含有0.1 wt% Nb和降低的N含量（0.035 wt%）。合金SS-Mn基于201LN等级，具有降低的Ni含量（5.4 wt%），并添加了高Mn（7 wt%）和N（0.2 wt%）。为了确定动态软化的特征，研究人员使用Gleeble 3800热机械模拟器在950–1200 °C、0.001–0.1 s^?1条件下进行了单轴单次热压缩实验。使用Poliak–Jonas准则和EBSD进行的热压缩应力-应变分析揭示了在低层错能（SFE）奥氏体不锈钢中，在不同温度和应变速率下，不连续动态再结晶（DDRX）是主要机制。升高的温度和应变速率促进了低角度晶界向高角度晶界的转变，增加了孪晶和DRX，其中SS和SS-Nb尽管存在Nb拖曳效应，但仍表现出较早的DRX，而SS-Mn由于固溶强化、缓慢的晶界迁移而表现出更高的应力和更慢的DDRX，并且SS/SS-Nb中残留的δ-铁素体有助于再结晶路径，强调了成分和加工如何控制奥氏体不锈钢的微观组织。

随着全球对可再生能源和可持续燃料替代品的需求日益增长，氢能存储技术，特别是液态氢（LH2）存储，受到广泛关注。然而，液态氢存储需要能够承受极低温度（-253°C）的材料，而现有奥氏体不锈钢（ASS）如316L在低温下易发生马氏体相变，导致力学性能下降和脆化。为克服这一局限，研究人员通过微合金化（添加Nb、Mn、N）和热机械控制处理（TMCP）来增强ASS的低温力学性能。动态再结晶（DRX）是TMCP中的关键现象，能够细化晶粒、消除位错，同时提高强度、韧性和成形性。然而，不同合金元素对DRX行为的影响尚需系统研究。因此，本研究旨在分析三种新设计的ASS——SS（304L基体，含0.09 wt% N）、SS-Mn（201LN基体，含高Mn和高N）和SS-Nb（304L微合金化，含0.1 wt% Nb）——在热变形过程中的DRX特性和微观组织演变，为开发用于LH2存储的先进高强度材料提供依据。该论文发表在《Materials》上。

研究人员通过真空感应熔炼制备了三种合金（SS、SS-Mn、SS-Nb）的30 kg钢锭，并热轧成约12 mm厚板。采用Gleeble 3800热机械模拟器进行单轴单次热压缩实验，变形温度范围为950–1200°C，应变速率范围为0.001–0.1 s^?1，压缩至真应变0.6。利用电子背散射衍射（EBSD）对变形后的微观组织进行表征，包括晶界图、晶粒取向分布（GOS）和相图。通过Poliak–Jonas准则从应力-应变曲线中确定DRX的临界应变（ε_c）和临界应力（σ_c）。

**3.1 Stress–strain curves in DRX domains**：通过热压缩应力-应变曲线分析，发现所有合金在高温低应变速率下均表现出峰值应力后的流动软化，表明DRX发生。其中，SS-Mn钢的峰值应力最高，归因于Mn的固溶强化作用，而SS和SS-Nb的峰值应力较低。

**3.2 DRX characteristics**：采用Poliak–Jonas准则确定DRX的临界条件。研究发现，SS-Mn钢的临界应变（ε_c）和临界应力（σ_c）较高，表明DRX起始延迟；而SS和SS-Nb钢的ε_c和σ_c较低，DRX较早发生。Nb的添加虽通过溶质拖曳效应提高了变形激活能，但并未显著延迟DRX起始，反而使DRX晶粒细化。升高温度或降低应变速率导致ε_c和σ_c降低。

**3.3 Microstructures**：EBSD分析表明，所有合金的DRX机制均为不连续动态再结晶（DDRX），表现为项链状结构。升高温度或降低应变速率促进DRX和晶粒生长，降低低角度晶界（LAGB）分数。在SS-Mn中，DRX进展缓慢，晶粒呈拉长状，GOS分析显示再结晶分数较低（如1050°C/0.1 s^?1时仅约7%）。在SS-Nb中，DRX晶粒较细，再结晶分数较高（同条件下约86%），归因于Nb原子的溶质拖曳效应。此外，SS和SS-Nb中残留的少量δ-铁素体（δ-ferrite）为DRX形核提供了优先位点，通过相界面处的应变集中促进了DRX的起始，同时略微抑制了晶粒粗化。Σ3孪晶晶界的分数随温度升高而增加，进一步促进DRX。

讨论部分总结：合金元素对DRX行为的影响机制复杂。Mn的固溶强化和晶界迁移抑制延迟了DRX起始，导致较高临界应力/应变。Nb的溶质拖曳效应细化了DRX晶粒，但未显著影响DRX起始时间。δ-铁素体作为稳定第二相，其界面作为异质位错阱和形核位点，促进DRX形核，同时限制晶粒长大。温度和应变速率通过影响晶界迁移和位错积累，主导DRX动力学。研究结果强调了成分与加工参数的协同作用，为优化TMCP窗口提供了关键依据。

研究结论翻译如下：本研究的主要目标是开发新型奥氏体不锈钢，其屈服强度比现有用于LH2存储和运输的牌号（如304L/316L/201LN）几乎翻倍，同时不显著影响稳定性、延展性、韧性和疲劳性能。研究人员认为采用TMCP是提高屈服强度且不损害其他必要性能的合适途径。为设计TMCP路线，必须评估恢复过程和机制，因此评估了这些新设计奥氏体不锈钢的DRX行为和机制。尽管304L/316L/201LN等常规牌号的DRX行为已明确，但仍需排除新合金元素（Nb、Mn、N）对DRX行为的特定影响。因此，本工作的新颖性在于特定成分改性（特别是Nb、Mn、N添加）如何影响与LH2存储和运输材料加工相关的DRX加工窗口和稳定性。主要结论如下：
1. 在所选应变速率和变形温度下，实验钢的多数流变应力曲线表现出动态再结晶行为。启动DRX过程所需的ε_c/σ_c随变形温度升高而降低，ε_p/σ_p随温度降低和应变速率增加而升高。
2. SS-Mn钢表现出延迟的DRX起始，导致流动软化开始前具有较高的ε_c/σ_c和ε_p/σ_p。低Mn的ASS（SS）及其Nb微合金化变体（SS-Nb）在较低的εc

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