在恒定拉伸应力下，Fe–Ni–C合金马氏体转变过程中的应力分区、变体选择及各向异性弹性响应

《ACTA MATERIALIA》：Stress Partitioning, Variant Selection, and Anisotropic Elastic Response during Martensitic Transformation in Fe–Ni–C Alloy under Constant Tensile Stress

　　摘要
确定马氏体的各向异性变形应变如何影响在外加载荷作用下的内部应力重分布，长期以来一直是实验研究中的一个挑战，这主要是由于难以区分马氏体的a轴和c轴。在这里，我们通过在恒定拉伸应力下的低温冷却过程中使用原位中子衍射技术，成功地解析了Fe-24Ni-0.3C（重量百分比）合金中不同马氏体变体的晶向依赖性晶格应变响应。值得注意的是，我们发现了一个显著的二分性：在120 MPa的拉伸应力下，c轴（即Bain压缩轴）靠近加载方向（LD）的变体，特别是〈001〉α'//LD和〈101〉α'//LD晶粒，其晶层间距相比于未加载的参考状态有显著增加。相比之下，c轴垂直于LD的变体，如〈100〉α'//LD和〈110〉α'//LD晶粒，几乎没有变化。这直接证明了外部拉伸应力是根据特定变体的变形特征应变分量来优先适应的。由此产生的内部弹性能量差异进一步加剧了各变体之间的驱动力差异，从而促进了变体的选择，超出了仅通过Patel–Cohen准则所能预测的范围。随着外加拉伸应力的增加，变体选择变得更加明显，最终导致变形诱导马氏体衍射图谱中的四方性相关峰分裂消失。这些发现不仅揭示了马氏体之前未被报道的各向异性弹性响应，还建立了变体晶向与其在转变过程中的应力分配行为之间的明确因果关系。

引言
马氏体转变是一种典型的一级固态相变，在钢铁、有色金属和陶瓷等材料中广泛观察到[[1], [2], [3]]。这种转变不仅决定了最终的微观结构，还深刻影响了变形行为，从而影响机械性能和形状记忆效应[[4], [5], [6]]。从母相到马氏体的转变本质上是无扩散的，并通过一组原子的协调剪切位移来实现，产生较大的变形特征应变。根据马氏体结晶学的现象学理论，这种特征应变由一个平行于习性面的剪切分量和一个垂直于其的膨胀分量组成[7]。当在应力作用下发生时，由转变产生的应变场将与应力场相互作用。理解马氏体转变与应力之间的相互作用具有重要的科学意义，并且对于充分发挥马氏体转变的潜力至关重要。在多晶金属中，这种特征应变必须通过周围基体的适应或通过形成多种马氏体变体来容纳。然而，基体的适应能力和变体之间的自适应能力本质上是有限的。因此，母基体和马氏体中都会保留残余应变和内部应力，影响材料的机械性能。在金属或陶瓷材料中，马氏体转变可以在裂纹尖端产生局部应力场，这些应力场会阻碍裂纹的开裂，起到裂纹屏蔽的作用，并通过转变应变与裂纹尖端应力之间的相互作用来耗散能量，从而提高材料的韧性[[8], [9], [10]]。此外，在塑性流动过程中，与马氏体转变相关的特征应变可以引起局部软化，产生或加剧非均匀的局部变形。例如，中锰钢中的Lüders变形，涉及不连续的屈服和应力平台，与亚稳奥氏体的转变密切相关[6,11,12]。含有亚稳奥氏体的钢中的Portevin–Le–Chatelier (PLC) 变形行为可能会受到马氏体转变的影响[[13], [14], [15]]。在钢铁中，普遍认为马氏体转变产生的内部应力与Bain畸变密切相关[16,17]。奥氏体的面心立方（FCC）结构向马氏体的体心立方（BCC）或体心四方（BCT）结构的转变由Bain对应关系控制，即（001）FCC // (001)BCC, [010]FCC // [-110]BCC[18]。这种晶格变化涉及一个晶轴（c轴）上的压缩和两个垂直轴（a轴）上的膨胀，这从根本上决定了转变特征应变的各向异性。实际上，对孤立马氏体片相关的应变场的Eshelby型计算表明，周围基体中的内部应力本质上是非均匀和各向异性的[19,20]。微观尺度的实验证据也证实了这一观点。Archie等人使用聚焦离子束（FIB）和微数字图像相关（micro-DIC）组合直接测量了层状马氏体中的残余应力[21]。他们发现微柱在应力释放时表现出各向异性变形，表明相变产生的内部应力在微观尺度上是各向异性的。在此基础上，Fukui等人建立了各向异性转变引起的应力与Bain应变之间的直接相关性，证明即使在不含溶质碳的情况下，马氏体晶格也表现出四方性[17]。此外，各向异性内部应力也被证明会导致沿着（001）平面而不是（100）平面的解理裂纹优先传播[22]。这些发现表明马氏体转变产生了各向异性和方向依赖性的内部应力场。马氏体转变不仅在马氏体本身内部产生内部应力，还会影响周围的未转变奥氏体。原位中子衍射和同步辐射X射线衍射已被广泛用于研究马氏体转变过程中的内部应力演变[[23], [24], [25], [26], [27], [28], [29]]。大量研究表明，马氏体的形成会在奥氏体中诱导压缩应力，这体现在其晶格参数偏离无应力热膨胀行为[[23], [24], [25], [26], [27]]。然而，也有其他解释试图阐明内部应力的起源。Wang等人提出，转变应该在奥氏体中产生拉伸应力，并将观察到的压缩应力归因于奥氏体和马氏体之间热膨胀系数的差异[28]。Gong等人报告说，减少晶格缺陷会使奥氏体中的测量应力状态从压缩变为拉伸，强调了热应力和缺陷的共同影响[29]。因此，关于马氏体转变如何在奥氏体基体中产生内部应力，目前仍没有共识。尽管如此，很明显马氏体转变显著影响了材料内部的应力分布。此外，以往的研究主要集中在无载荷条件下的马氏体转变。然而，在亚稳奥氏体钢中，马氏体转变是在外加载荷下发生的。根据Patel和Cohen模型，施加的应力不仅改变了转变的动力学驱动力，还通过优先选择进行更大机械工作的马氏体变体来破坏变体之间的自适应[30,31]。使用相场模拟研究了外部应力对马氏体转变的影响，这些模拟表明外部应力促进了与其转变应变方向一致的马氏体变体的形成[32]。因此，转变引起的应变场不可避免地与外加应力场相互作用，导致奥氏体和马氏体之间的内部应力重新分布。尽管其重要性显而易见，但转变如何在外加载荷下引起内部应力的重新分布仍不完全清楚。一个主要挑战在于，在塑性变形过程中，由于塑性流动的差异导致的异质应力分布可能会掩盖马氏体转变的影响。这导致了对马氏体转变与外部应力之间相互作用的理解不足。此外，尽管马氏体由于其较小的c/a比率而表现出内在的各向异性和四方性，但以往的研究通常将其视为BCC结构，而没有考虑相变各向异性对内部应力的影响。为了澄清这些问题，本研究重点关注在恒定施加应力下的马氏体转变，从而尽量减少奥氏体基体中塑性流动的影响。利用原位中子衍射技术，我们追踪了在不同施加应力下冷却过程中Fe-24Ni-0.3C（重量百分比）合金中马氏体形成的演变。通过分析奥氏体和马氏体的晶格参数、晶层间距以及衍射积分强度的变化，我们旨在明确外加载荷如何影响马氏体转变以及转变如何诱导内部应力的分配。基于实验结果，我们讨论了在恒定拉伸应力下马氏体转变过程中的应力分配、变体选择和各向异性弹性响应，并将其扩展到变形诱导的马氏体转变。

材料与微观结构观察
本研究使用了化学组成为Fe-24Ni-0.3C（重量百分比）的亚稳奥氏体钢，其详细信息见表1。该合金的铸锭经过热轧后，再冷轧成厚度为1毫米的板材。生产的板材在900 °C下保温3600秒进行奥氏体化处理，以获得平均晶粒尺寸为35微米的完全奥氏体微观结构（见补充材料中的图S1）。对样品的微观结构观察是在垂直于加载方向的截面上进行的。

结果
为了研究在外加载荷下的马氏体转变，样品在3 MPa和120 MPa的恒定拉伸应力下冷却。3 MPa的应力仅用于在冷却过程中保持样品的对齐，因此构成一个对转变影响可以忽略的参考条件。选择120 MPa的应力是因为其在室温下低于材料的屈服强度（180 MPa），确保了纯弹性变形。应当注意的是，屈服强度...

晶向依赖性晶格应变响应的机制
原位中子衍射测量表明，具有不同晶向的马氏体变体在加载方向上产生了不同的内部应力水平（见图5）。虽然当前的测量无法完全解决变体选择和应力松弛的时间顺序，但系统性的晶向依赖性晶格应变差异强烈表明，我们在不同变体家族之间观察到的相对晶格应变差异主要是...

结论
在本研究中，我们使用原位中子衍射技术研究了在恒定拉伸应力下的Fe-24Ni-0.3C合金中的马氏体转变，以阐明相变与应力之间的相互作用。本研究的主要结论如下：
（1）利用原位中子衍射，我们成功区分了在恒定拉伸应力下a轴和c轴取向BCT马氏体变体的弹性响应。我们的结果...

致谢
中子衍射实验在J-PARC的材料与生命科学实验设施的TAKUMI中进行，提案编号为2021B0096。本研究得到了中国国家自然科学基金[项目编号52404394]、JSPS Kakenhi[项目编号25K03397]、MEXT项目：数据创建与利用型材料研究与发展（JPMXP1122684766）以及中央高校基本研究基金（编号N25LPY001）的财政支持。

作者贡献声明
MAO Wenqi：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，方法学，研究，资金获取，数据管理，概念化。
GONG Wu：撰写 – 审稿与编辑，方法学。
ITO Tatsuya：撰写 – 审稿与编辑，概念化。
KAWASAKI Takuro：撰写 – 审稿与编辑，方法学。
HARJO Stefanus：撰写 – 审稿与编辑，方法学，资金获取，概念化。
LIU Yuanhong：撰写 – 审稿与编辑，研究，形式分析，数据...