金属材料的疲劳、磨损和腐蚀失效通常起源于材料表面的破坏，因此表层的微观结构对材料整体性能影响很大。激光冲击强化技术(LSP:Laser shock peening)，作为表面塑性变形强化技术中的一种新技术，通过诱导的激光冲击波使得材料表层发生晶粒细化甚至纳米化。近年来，LSP在亚微米/纳米尺度下的晶粒细化机制越来越受到科研工作者的关注。对于具有面心立方(FCC)和密排六方(HCP)晶体结构的金属材料(多为单相)，机械孪生和位错活动在激光冲击强化诱导晶粒细化过程中起了关键作用。然而，大多数工程材料是多相合金，与单相材料相比，对多相金属材料塑性变形诱导的微观组织演变和纳米尺度晶粒细化的研究较少。
对于多相合金，在塑性变形过程中，除了变形诱导多相晶粒细化外，还可能诱导某些相的化学成分发生变化，包括非平衡固溶体的形成或第二相的溶解。AISI420马氏体不锈钢含有较高的Cr含量和少量C元素，因此在热处理过程中会形成富Cr的碳化物。这些碳化物在力学作用下也会发生塑性变形、碎化和分解，超高应变率激光冲击强化诱导碳化物微观结构演变尚未在文献中发现。另外，由于碳化物的存在，马氏体基体的晶粒细化机理也会受到影响，碳化物对马氏体基体梯度纳米结构形成的影响机理也不清晰。
来自江苏大学的王长雨博士(第一作者)和鲁金忠教授(通讯作者)、内布拉斯加大学林肯分校王健教授(共同通讯作者)等人采用LSP技术成功地在AISI420马氏体不锈钢上制备了基体和碳化物双相梯度纳米结构层。通过透射电镜观察、能谱元素面扫和X射线衍射物相分析，对激光冲击波作用下不同深度处的基体和碳化物进行了表征，深入研究了激光冲击强化对AISI420马氏体不锈钢基体和碳化物梯度纳米结构形成机理，并且对碳化物发生塑性变形和碎化的过程出现的元素变化进行了系统研究。经LSP处理后，AISI420马氏体不锈钢的抗拉强度和伸长率分别提升24.3%和47.8%。相关论文以题为“Carbide-facilitated nanocrystallization of martensitic laths and carbide deformation in AISI 420stainless steel during laser shock peening”发表在International Journal of Plasticity。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2021.103191
研究结果表明：激光冲击强化在2Cr13钢表层诱导了基体和碳化物双相梯度纳米结构，激光冲击试样诱导的表面纳米晶和纳米碳化物尺寸范围分别是14-86nm和5-70nm。相同深度处，对比于1层LSP冲击，2层LSP冲击诱导的微观组织细化程度更高。马氏体板条梯度纳米结构的形成机制是以位错运动为主，碳化物的存在促进位错的运动。当马氏体板条细化到小于碳化物的尺寸时，碳化物也发生塑性变形，主要表现在沿{111}和{311}晶面的位错滑移，累积的多次滑移使碳化物逐渐细化为纳米级碳化物。在AISI420马氏体不锈钢中，首次在原始亚微米碳化物中发现了激光冲击波诱导的三个塑性变形区，即严重变形区、轻微变形区和无变形区。随着碳化物塑性变形程度的加重，Cr元素和Fe元素含量分别降低和增加，表明碳化物和基体发生了机械混合的作用。
图1 LSP处理AISI 420马氏体不锈钢马氏体板条和碳化物梯度纳米结构
图2 亚微米碳化物内部LSP诱导的三个塑性变形区：严重变形区、轻微变形区和无变形区
图3 LSP处理AISI 420马氏体不锈钢诱导的碳化物碎化
在激光冲击强化的力学效应作用下，碳化物除了发生细化，还会发生碎化分离现象，碎化的碳化物尺寸也能达到纳米级别(100nm以下)。超高应变率在碳化物内部诱导非晶剪切带，微裂纹沿着非晶剪切带扩展进而贯穿碳化物，使得碳化物破裂并分离。
另外，碳化物的分解与碳化物的塑性变形和破碎同时发生，碳化物分解是由基体流动引起的碳化物界面磨损与碳化物塑性变形协同作用的结果。随着变形程度的增加，由于球状碳化物的逐步分解和与基体的机械混合作用，变形碳化物中Cr含量不断降低。
图4 LSP处理AISI 420马氏体不锈钢诱导的碳化物分解
图5 LSP诱导的AISI 420马氏体不锈钢梯度纳米结构示意图
图6 LSP处理前后AISI 420马氏体不锈钢的拉伸性能和显微硬度
整体上，LSP力学效应诱导的梯度纳米结构形成机制主要以位错运动为主。在靠近基体的亚表层(低应变率)，在碳化物周围形成多种位错亚结构，将原始马氏体板条细化为亚微米级。随着深度的减小，为进一步适应较大应变率作用下的塑性变形，微观组织演变形成了层状的细长超细晶，并在碳化物内部形成多个平行的位错滑移，将碳化物切割成许多超细的片层结构。最后，在最高应变和应变率的表面，由于位错的剧烈运动，表微结构形成了纳米级晶粒和碳化物。基于LSP产生的细晶强化、析出相强化和位错强化，AISI420马氏体不锈钢的显微硬度、抗拉强度和伸长率分别提升137.9%、24.3%和47.8%。总之，这项工作有助于全面了解AISI420马氏体不锈钢中基体和碳化物双相梯度纳米结构的形成机制和力学强化行为。
*感谢论文作者团队对本文的大力支持。
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