不同能量激光冲击304不锈钢管表面EBSD分析及晶粒细化机制

 304不锈钢管由于其含碳量低而不能采用热处理来进行强化，塑性应变量主要取决于材料进一步变形所需要的压力。激光冲击强化处理是一种提高金属或者合金表面性能的高效的处理技术，它运用激光冲击波产生的机械效应在金属或者合金表面产生拥有一定厚度的残余压应力层，与此同时金属或者合金的抑制疲劳损坏的性能得到大程度提升，此外得到提升的还有耐磨性以及耐腐蚀性。

 在过去的二十年中，已经有大量的关于激光冲击不锈钢管机械性能以及微观组织的研究。“单脉冲激光喷丸处理304不锈钢管的残余应力释放以及对微观硬度的影响”的研究结果表明，这种处理方法可以提高沿平行于一个机械孪晶方向的残余应力释放以及微观硬度分布的均匀性。同样，这种方法处理304不锈钢管前后在深度方向的微观硬度与微观组织存在状态的研究最终建立了“304不锈钢管晶粒位错变形机制”。这种冲击方法处理后不锈钢管材料的表面微观硬度的提高可能取决于表层受到冲击后产生的位错密度的增加。事实上，对于堆垛层错能较低的金属材料，位错孪晶在塑性变形中占主导地位，孪晶厚度以及相邻孪晶间距随着应变率的增加而增加。

 以上的研究主要集中在激光冲击产生的严重塑性变形所导致的机械性能以及变形方法方面。机械孪晶交叉是不锈钢管表面粗晶细化的主要方式，超声波处理，喷丸处理以及表面机械研磨等常规表面强化方法都能产生这种效果。本课题组第一次发现了在采用这种强效冲击的过程中“不锈钢管晶粒内出现了第三个方向的机械孪晶”并发表在之前的成果中。我们推测在四次及以上这种方式处理过后，304不锈钢管表层晶粒内也许会出现多于之前方向甚至第N个方向的这种孪晶，最终由于大的极向误差把亚微米三角形缠结细化为不规则形状的亚微米缠结。此外，三个方向机械孪晶的产生机制尚待确定，这些问题都具有很大的研究意义。

 第三个方向的机械孪晶交叉是多次以这种方式冲击此种类型不锈钢管表层晶粒发生细化的占大多数比例的形式。然而，在激光冲击的过程中，关于机械孪晶方向与滑移系统之间的关系的研究之前并没有涉及到。在工程应用中，大面积激光冲击是一种有效的获得均匀残余应力的方法，不同的激光能量会导致金属构件表面不同区域的塑性变形。此外，激光冲击会使奥氏体不锈钢管表面粗糙度加剧，怎样使表面粗糙度满足工业要求是另一个需要考虑的问题。

 本章旨在探讨采用这种先进表面处理方式对304不锈钢管进行多种能量大面积冲击后，其表面粗糙度和晶粒细化所发生的变化，并揭示其变化规律。同时对晶粒细化过程中多方向机械孪晶交叉作用给予了重要关注，建立了孪晶方向与晶粒滑移系统之间的联系。

 本章中研究了不同能量大面积激光冲击对304不锈钢管的表面粗糙度与微观组织演变的影响，并提出了晶粒细化机制，同时对三种试样进行EBSD分析。所得主要结论如下：

 1. 大面积激光冲击增加了原始试样的表面粗糙度，采用6J激光能量冲击可以获得一个与3J激光能量冲击相比相对光滑的表面，6J时表面粗糙度为0.947μm，而3J时的表面粗糙度为1.226μm。这一现象主要的主要原因是6J激光能量相对应地可以获得比3J激光能量更大的有效变形区域。

 2. 与原始试样中60°取向角峰值9%的比例相比，3J激光能量冲击后取向角峰值比例为46%，6J激光能量冲击后取向角峰值比例为40%。同时，大量的~60°<111>形变孪晶出现在304不锈钢管的激光冲击强化层。这些现象表明大面积激光冲击可以通过孪晶分割来细化304不锈钢管表层的原始粗晶。

 3. 对于激光冲击试样，随着距离上表面深度的增加，机械孪晶的宽度逐渐减小，而相邻孪晶之间的间距逐渐增大。此外，随着脉冲能量的增加，相同位置机械孪晶的宽度增加而孪晶间距基本保持不变。伴随着机械孪晶的出现，激光冲击波诱导的塑性变形同样导致了ε马氏体的转变。

 4. 激光冲击波诱导的塑性变形层中第四个方向的机械孪晶交叉第一次被发现，孪晶孪晶交叉占据了塑性变形的主要部分。基于微观区域的激光冲击次数以及304不锈钢管的遗传晶体结构，提出了低堆垛层错能面心立方合金孪晶面的最大值。此外，激光冲击波机械效应下一个基于四个方向机械孪晶交叉的晶粒细化机制被提出。