结构材料需要高屈服应力，用来保持较高的抗塑性变形能力。晶粒细化是改善多晶材料屈服应力的有效方法之一。晶粒细化的一个重要问题是在晶粒尺寸大于和小于1mm的范围内具有明显不同的屈服行为。超细晶(UFG)钢的应力应变曲线在较高屈服应力后没有应变硬化现象，具有类似Lüders的塑形变形，而粗晶粒(CG)IF钢没有较高的屈服应力，具有显著应变硬化，我们将UFG和CG钢材中的屈服行为分别称为不连续屈服和连续屈服。现有研究推测连续屈服或不连续屈服的屈服行为可能受初试位错密度影响并在位错演化和力学行为方面进行了大量的工作，但仍未得出与位错密度相关的力学行为直接证据，钢的不连续屈服机理尚不明确。日本国立材料研究所的最新研究应用原位TEM观察位错的运动及其与UFG IF钢的晶界(平均晶粒尺寸约0.45μm)之间的相互作用，分别对UFG和CG IF钢进行了常规拉伸试验，并在变形前后观察位错结构。相关论文于以题为“Mechanical response of dislocation interaction with grain boundary in ultrafine-grained interstitial-free steel”发表在金属材料顶级期刊Acta Materialia。https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116621
本研究使用含Ti的IF钢，平均晶粒尺寸约20μm，应用累积复合轧制(ARB)工艺进行晶粒细化(温度773K，每次减薄50%，水淬)，共进行七个循环，最终得到UFG IF钢。CG IF钢是将原试样在1023K的盐浴中退火30min。研究发现在低于宏观屈服应力的早期变形阶段，UFG IF钢中晶粒内部的位错密度随着应变增加而降低，晶粒内部位错密度的降低和在晶界处的反差扩散归因于晶界处的位错吸收。在UFG IF钢宏观屈服后的原位TEM中观察到了爆发式变形，这可能是应力应变曲线上屈服下降和不连续屈服的关键步骤。
图1 CG和UFG IF钢的SEM-EBSD图和相应的反极图（IPF）
图2 UFG IF钢的数字图像相关测量与单轴拉伸试验
图3 UFG IF钢在1％应变拉伸变形之前和（b）之后以及（c）局部拉伸应变为15％的颈缩区域的暗场LAADF-STEM图像原位TEM还观察到晶界处的位错形核，出现连续增殖(如Frank-Read源)。在CG IF钢中，晶粒内部存在足够多的可移动位错(原有位错和通过Frank-Read源增殖的位错)，这导致了较低的屈服应力和连续屈服。基于Orowan模型和Johnston-Gilman模型的组合证实，UFG IF钢的超硬现象和不连续屈服可归因于位错密度的转变。
图4 CG IF钢的数字图像相关测量与单轴拉伸试验构
图5 CG IF钢中不同应变的位错结构明场LAADF-STEM图像
本研究对比分析了UFG和CG IF钢的位错演化和力学行为变化，直接观察到应变过程中的位错运动，针对UFG IF钢阐明了Hall-Petch效应的硬化行为和不连续屈服行为的潜在机理。本文对未来高屈服应力结构材料的设计提供了理论依据。（文：破风）
