《ACTA MATERIALIA》：Defect-mediated mechanisms of deformation-induced martensitic phase transformations in structural alloys: application to austenitic stainless steel
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摘要变形诱导马氏体相变是主力及先进结构合金的常见特征，如 300 系奥氏体不锈钢、相变诱导塑性 (TRIP) 钢以及新兴的高熵合金。尽管已研究数十年，这些相变发生的基本机制仍难以捉摸。在本研究中，我们结合分子动力学模拟和线缺陷分析，揭示了一种类似 300 系钢中两种典型马氏体
摘要
变形诱导马氏体相变是主力及先进结构合金的常见特征，如 300 系奥氏体不锈钢、相变诱导塑性 (TRIP) 钢以及新兴的高熵合金。尽管已研究数十年，这些相变发生的基本机制仍难以捉摸。在本研究中，我们结合分子动力学模拟和线缺陷分析，揭示了一种类似 300 系钢中两种典型马氏体相变的机制：从 HCP ε-马氏体逆向转变为 FCC γ-奥氏体，以及转变为 BCC α'-马氏体。观察到这两种相变均发生在孪晶与 ε-马氏体滑移带的交点处，与文献中报道的显微镜观察结果一致。与流行理论相反，我们发现这两种相变都是通过初级滑移带中线缺陷环（不全位错和脱层错）的形核和扩展进行的。利用原子级分析工具，对负责相变的精确柏格矢量和线缺陷形态进行了表征，并将其与马氏体相的形核和传播相关联。我们的发现为马氏体相变的预测模型提供了一条途径，有助于合金设计和工程预测。
引言
变形诱导马氏体相变是许多先进结构合金的重要方面，常被称为相变诱导塑性 (TRIP) 合金 [1]。最近研究表明 TRIP 合金表现出卓越的机械性能，同时实现高强度和韧性 [[2], [3], [4], [5]]。这些优异性能通常归因于 TRIP 效应使能的塑性变形机制的序列：一旦材料耗尽了基于位错或基于孪晶的塑性能力，TRIP 就会启动，以进一步提高延展性并推动强韧化，而流动应力几乎没有降低 [5]。此外，许多合金表现出多个“阶段”的 TRIP，每个不同的阶段都与新变形诱导相的形成相关联 [2]。这一过程的一个经典例子是广泛用于核能、石油天然气和氢能储存应用的主力 300 系奥氏体不锈钢合金 [6]。长期以来已确立这些合金主要是奥氏体（即面心立方 (FCC)），并经历各种变形诱导相变 [7]；即形成 ε-马氏体（六方密排 (HCP)）和 α'-马氏体（体心立方 (BCC)）相，随后逆向转变为 γ-奥氏体相 [8,9]。尽管 300 系不锈钢和许多其他结构合金中变形诱导相变的机制已成为研究超过 50 年的主题 [10,7,[11], [12], [13], [14], [15]]，但基本的原子机制仍难以捉摸，特别是关于晶体线缺陷在介导相变中所扮演的角色。在本工作中，以 300 系不锈钢中 α'-马氏体形成和 γ-奥氏体逆向转变作为范例，我们展示了分子动力学 (MD) 模拟的线缺陷分析如何完全阐明相变机制，而不需要对原子剪切和重排进行假设。此外，我们的发现推翻了一些关于相变机制的长期假设。
变形诱导相变通常与滑移带及其交点有关 [9,[16], [17], [18]]。有时这些滑移带表现为扩展的马氏体针状组织，如 300 系不锈钢中的 ε-马氏体。认为这些针状组织的边缘由不全位错阵列终止，将 FCC γ-奥氏体转变为 HCP ε-马氏体 [7,19]。当二次滑移带撞击 ε-马氏体针状组织时，可能会发生额外的相变。例如，长期以来已认识到 α'-马氏体可能在 ε-马氏体针状组织之间的交点处形成 [10,20,21]。为了解释这一过程，Olson 和 Cohen [7] 应用了由 Bogers 和 Burgers [22] 开发的硬球模型，证明在相交滑移带中具有适当的滑移面间距时，滑移可以直接将 FCC 晶体转变为 BCC 晶体 [7]。具体而言，Olson-Cohen 机制要求非常特定的滑移带构型，其中一个带中存在无缺陷的 ε-马氏体，另一个带中存在周期性错排的 ε-马氏体。随后，Sinclair 和 Hoagland 在此基础上开展工作，在原子模拟中直接模拟了 Olson 和 Cohen 提出的滑移带几何结构，并手动在系统上施加滑移事件 [18]。他们的工作证实 Olson-Cohen 机制可能导致 α'-马氏体的形成。
最近，Yang 等人利用高分辨透射电子显微镜 (HR-TEM) 和静态界面 MD 模拟（未模拟相变）研究了 α'-马氏体的形成 [16,23]。在他们的第一项研究中，他们得出结论 Olson-Cohen 机制是有效的 [16]，而在随后的研究中，他们确定了一种不同的机制，涉及不全位错引起的剪切与原子重排相结合 [23]。He 等人进行了类似的研究，使用 HR-TEM，也提出了他们认为与 Olson-Cohen 机制一致以及另外两种机制的观测结果，一种涉及连续晶格畸变与原子重排相结合，另一种涉及单次剪切 [17]。因此，这些工作得出结论，虽然 Olson-Cohen 机制是可能的，但它不是 α'形成的唯一机制。这一评估与大量证据一致，即 α'形成经常发生在具有各种构型的滑移带交点处（例如 ε-ε 交点和层错-ε 交点 [14,17,24]），而不仅仅是 Olson 和 Cohen [7] 提出的特定构型。最后，最近的实验工作表明，ε-ε 交点并不总是产生 α'-马氏体，而是有时导致 γ-奥氏体逆向转变区域 [8,9]。在中熵和高熵合金的 ε-ε 交点 [25] 以及孤立的 ε 带 [[26], [27], [28]] 中也观察到了类似的逆向转变。对这些逆向转变的 HR-TEM 分析显示了各种线缺陷介导的机制，主要涉及不全位错 [[26], [27], [28]]。
这批前作工作为可能的 α'-马氏体形成机制提供了有价值的见解，但它仍然导致了一个不精确的机制图像，与实验观察不一致。例如，如果滑移事件负责 α'-马氏体的形成，如 Olson 和 Cohen 所提出的以及他人常假设的那样，滑移透射如何在交点处进行？如果有任何反应与此透射相关的话，是什么反应？此外，马氏体相变的流行现代观点是它们由脱层错介导——具有台阶和位错特征的界面线缺陷 [29,30]。如果有任何脱层错负责相变的话，是哪些脱层错，原子重排是否也参与其中 [7,23]？为了对变形诱导马氏体相变有详细的、机制性的理解，必须确定一条回答这些问题的途径。
片段
方法
为了回答这些问题，我们进行了有针对性的 MD 模拟，以评估各种滑移带交点处的原子机制。在这些模拟中，滑移带在外加载荷的影响下相交，但在其演化过程中不受其他约束；据我们所知，这是第一次在 MD 模拟中直接捕获 α'形成动力学的模拟（例如，Sinclair 和 Hoagland [18] 施加了规定的滑移事件然后进行弛豫）。
结果
我们从分析模拟期间观察到的系统演化开始。可以形成各种初级/二次滑移带组合，包括 ε/ε、ε/孪晶、孪晶/ε 和 孪晶/孪晶。在每种情况中，二次带中的位错可能具有两种类型的柏格矢量（90o 刃型和 30o 混合型，见方法部分）。进行了 MD 模拟以探索所有八种不同情况。注意，为了使情况最佳，两种情况的剪切应力方向必须不同
讨论
上述变形诱导相变完全是线缺陷形核和迁移的结果。在 γ-奥氏体逆向转变的情况下，线缺陷是肖克利不全位错环，它们在初级 ε-马氏体剪切带中连续的滑移面上形核。在 α'-形成转变的情况下，脱层错环在初级 ε-马氏体剪切带中形核。这些形核事件是的结果
结论
我们使用了滑移带交点的 MD 模拟，不对变形过程施加约束，揭示了奥氏体不锈钢中两种不同变形诱导相变的基本原子机制：α'-马氏体形成和 γ-奥氏体逆向转变。在这两种情况下，均未观察到滑移透射进入初级滑移带，而这是现有理论和实验分析中的普遍假设。相反，两种相变都是通过形核和
作者贡献
RBS: 概念构思，正式分析，资金获取，调查，方法论，项目管理，软件，监督，验证，可视化，写作 – 初稿；IL: 正式分析，调查，方法论，可视化，写作 – 审查与编辑；TJM: 正式分析，调查，方法论，可视化；DLM: 概念构思，正式分析，验证，写作 – 审查与编辑；XWZ: 概念构思，数据管理，正式分析，调查，
CRediT 作者贡献声明
R.B. Sills: 写作 – 初稿，可视化，验证，监督，软件，项目管理，方法论，调查，资金获取，正式分析，概念构思。 I. Lalani: 正式分析，调查，方法论，可视化，写作 – 审查与编辑。 T.J. Murray: 可视化，方法论，调查，正式分析。 D.L. Medlin: 写作 – 审查与编辑，验证，正式分析，概念构思。 X.W. Zhou: 写作 – 审查与编辑，
R.B. Sills|I. Lalani|T.J. Murray|D.L. Medlin|X.W. Zhou
