不同溫度變形量對(duì)AISI310S不銹鋼組織和性能的影響

秦小才，熊　毅，任鳳章，高廣東，劉治軍

(1.河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023；2.中原內(nèi)配集團(tuán)股份有限公司，河南 孟州 454750)

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不同溫度變形量對(duì)AISI310S不銹鋼組織和性能的影響

秦小才1,2，熊毅1，任鳳章1，高廣東2，劉治軍2

(1.河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023；2.中原內(nèi)配集團(tuán)股份有限公司，河南 孟州 454750)

摘要：借助X射線衍射、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、硬度測(cè)試及微拉伸試驗(yàn)等方法，分析了AISI310S奧氏體不銹鋼在不同溫度大變形后的組織和性能。分析結(jié)果表明：在不同溫度大變形后，奧氏體不銹鋼組織在不同變形量下均未發(fā)生應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變。在變形量較小的情況下，微觀組織以高密度位錯(cuò)和位錯(cuò)纏結(jié)為主；隨著變形量的增大，微觀組織以形變孿晶為主；當(dāng)變形量增大至90%以后，奧氏體不銹鋼晶粒尺寸細(xì)化至納米量級(jí)，深冷軋制晶粒細(xì)化程度顯著高于室溫冷軋。深冷軋制態(tài)的屈服強(qiáng)度、拉抗強(qiáng)度和硬度也均高于室溫冷軋態(tài)。隨著變形量的增大，延伸率明顯下降，拉伸斷口形貌均從韌性斷裂向準(zhǔn)解理斷裂轉(zhuǎn)變。

關(guān)鍵詞：奧氏體不銹鋼；室溫冷軋；深冷軋制；微觀組織

0引言

奧氏體不銹鋼具有高韌性和良好的耐腐蝕性，在石油化工和結(jié)構(gòu)裝飾等國(guó)民經(jīng)濟(jì)行業(yè)中應(yīng)用廣泛，但強(qiáng)度低的固有缺點(diǎn)限制了其在結(jié)構(gòu)件中的運(yùn)用[1-2]。細(xì)化晶粒是提高不銹鋼的強(qiáng)度、改善奧氏體不銹鋼力學(xué)性能的有效方法之一。重度冷軋加后續(xù)退火工藝[3-4]是制備高性能結(jié)構(gòu)材料的典型方法之一，適用于大多數(shù)金屬材料。文獻(xiàn)[5-7]研究結(jié)果表明：在重度冷軋過(guò)程中，奧氏體不銹鋼因?yàn)樾巫冋T發(fā)馬氏體相變而產(chǎn)生明顯的加工硬化現(xiàn)象，隨著變形量的增大，馬氏體轉(zhuǎn)變量隨之增加,導(dǎo)致其強(qiáng)度指標(biāo)相應(yīng)增大，變形抗力越來(lái)越大，對(duì)軋制設(shè)備要求較高。上述研究主要針對(duì)奧氏體組織處于亞穩(wěn)態(tài)的不銹鋼進(jìn)行，而對(duì)于奧氏體組織處于穩(wěn)態(tài)的不銹鋼，在大變形過(guò)程中的組織演變與力學(xué)性能變化卻鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。

深冷軋制[8-9]是在室溫冷軋基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型大變形手段，它能在軋制變形過(guò)程中有效抑制位錯(cuò)的動(dòng)態(tài)回復(fù)，大幅降低變形抗力，顯著改善組織均勻性，晶粒細(xì)化明顯高于室溫冷軋。文獻(xiàn)[10]采用深冷軋制技術(shù)對(duì)Al-Mg-Si合金進(jìn)行了不同變形的試驗(yàn)，大塑性變形使得晶粒內(nèi)部產(chǎn)生了高密度的位錯(cuò)，而深冷軋制又能有效抑制位錯(cuò)的動(dòng)態(tài)回復(fù)，使得位錯(cuò)之間相互作用加劇，從而促使超細(xì)晶粒的形成。文獻(xiàn)[11]對(duì)比研究了室溫冷軋和深冷軋制，以及后續(xù)退火工藝制備超細(xì)晶工業(yè)純鋁的可行性，發(fā)現(xiàn)深冷軋制對(duì)細(xì)化晶粒和強(qiáng)度提升的作用明顯強(qiáng)于室溫冷軋。文獻(xiàn)[12-13]的研究結(jié)果也表明：深冷軋制能有效抑制位錯(cuò)發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)，在強(qiáng)度提升和晶粒細(xì)化方面相對(duì)于室溫冷軋具有明顯優(yōu)勢(shì)。然而，目前多針對(duì)有色金屬深冷軋制工藝開(kāi)展研究，鮮有文獻(xiàn)報(bào)道黑色金屬深冷軋制后的組織特性與性能變化。

因此，本文針對(duì)奧氏體組織處于穩(wěn)定狀態(tài)的AISI310S不銹鋼進(jìn)行了不同變形量的冷軋變形，對(duì)比分析奧氏體不銹鋼在不同溫度下不同變形量大變形后的組織演變和性能變化規(guī)律。

1試驗(yàn)材料及方法

奧氏體不銹鋼采用真空感應(yīng)爐熔煉，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：w(C)=0.060%，w(Si)=0.300%，w(Mn)=0.600%，w(P)=0.020%，w(S)=0.005%，w(Cr)=25.000%，w(Ni)=20.000%，w(N)=0.250%，w(Nb)=0.500%，余量為Fe。將電渣重熔后的鋼錠開(kāi)坯鍛造成5 mm厚的板坯。然后將板坯進(jìn)行固溶處理，處理工藝為1 230 ℃，保溫45 min后迅速水冷。典型的微觀組織如圖1所示。由圖1可以看出：經(jīng)過(guò)固溶處理后，奧氏體不銹鋼組織均勻，晶界清晰的等軸晶晶粒尺寸約為60 μm。

圖1　奧氏體不銹鋼固溶處理后的微觀組織

室溫冷軋和深冷軋制試驗(yàn)均在自制的二輥軋機(jī)上進(jìn)行，試樣尺寸為150 mm(L)×40 mm(W)×5 mm(H)，變形量分別為30%、50%、70%和90%。每道次的壓下量約為5%，每道次軋制前需將試樣放在液氮中浸泡10～15 min，同時(shí)旋轉(zhuǎn)180°，盡可能保證變形的均勻性，然后將其取出，迅速進(jìn)行軋制。

不同變形量下不銹鋼的維氏硬度測(cè)試在HV1000A型顯微硬度計(jì)上進(jìn)行，測(cè)試條件為載荷200 g，加載時(shí)間和卸載時(shí)間分別為10 s和5 s，在變形試樣表面選取5點(diǎn)的平均值作為最終維氏硬度值。軋制變形后的試樣采用線切割法制備金相試樣，機(jī)械研磨后在鉻酸溶液中進(jìn)行電解電壓為3 V的電解拋光處理，然后在OLYMPUS PMG3型金相顯微鏡下觀察奧氏體不銹鋼不同變形量下的形變組織。與此同時(shí)，在軋制后的試樣表面切取0.5 mm厚的薄片，機(jī)械減薄至50 μm，在Gatan691離子減薄儀上進(jìn)行減薄至穿孔為止，在JEM-2010型透射電子顯微鏡上觀察形變組織的精細(xì)特征形貌，加速電壓為200 kV。奧氏體不銹鋼軋制變形過(guò)程中的物相變化在D8 ADVANCE型X射線衍射儀上測(cè)試，管電壓為35 kV，管電流為40 mA。在軋制后的試樣上采用線切割方法切取微拉伸試樣，試樣取樣方向平行于軋制方向，標(biāo)距段尺寸為10.0 mm(L)×2.5 mm(W)×0.5 mm(H)。微拉伸試驗(yàn)在Instron5948R型微力材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，取微拉伸試樣一端的斷口，將其放在超聲波中清洗20 min，然后將其烘干，在JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡下進(jìn)行拉伸試樣斷口形貌觀察，加速電壓為20 kV。

2結(jié)果與分析

2.1微觀組織演變

圖2是不同變形條件下奧氏體不銹鋼的金相組織。從圖2中可以觀察到:隨著變形量的增大，晶粒的變形程度愈發(fā)劇烈，晶粒內(nèi)部出現(xiàn)了和軋制方向一致的滑移線，且滑移線的數(shù)量隨著變形量的增大而急劇增加。室溫冷軋變形量為30%時(shí)，部分奧氏體晶粒內(nèi)部出現(xiàn)了少量的滑移線，大部分的奧氏體晶粒沿著軋制方向被拉長(zhǎng)(見(jiàn)圖2a)。當(dāng)室溫冷軋變形量增至90%時(shí)，已經(jīng)很難觀察到完整的晶粒，大部分奧氏體晶界已經(jīng)模糊不清(見(jiàn)圖2b)。深冷軋制30%時(shí)，奧氏體晶粒內(nèi)部也出現(xiàn)了少量的滑移線，但滑移線的數(shù)量明顯高于室溫冷軋態(tài)(見(jiàn)圖2c)。深冷軋制變形量增至90%時(shí)，奧氏體晶粒全部被拉長(zhǎng)的同時(shí),晶界模糊不清，等軸狀晶粒消失完全，形成了纖維組織(見(jiàn)圖2d)。

將深冷軋制態(tài)金相組織與室溫冷軋態(tài)金相組織進(jìn)行對(duì)比，可以明顯看出：在同一變形量下深冷軋制后的組織發(fā)生變形的程度要比室溫冷軋更加劇烈。90%的變形量下，深冷軋制后的組織已經(jīng)被全部拉長(zhǎng)為纖維組織(見(jiàn)圖2d)，而室溫冷軋后還能看到部分多邊形的組織(見(jiàn)圖2b)。這主要是由于在深冷軋制過(guò)程中能抑制位錯(cuò)發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)過(guò)程[10]，使晶粒發(fā)生滑移的現(xiàn)象更為嚴(yán)重。

圖2　不同變形條件下奧氏體不銹鋼的金相組織

圖3為奧氏體不銹鋼室溫冷軋和深冷軋制不同變形量后的微觀組織形貌。從圖3中可以明顯觀察到：隨著變形量的增大，試樣內(nèi)部位錯(cuò)數(shù)量大量增殖的同時(shí)，位錯(cuò)密度急劇增加，位錯(cuò)之間的相互作用也隨之加劇，形成了大量的位錯(cuò)胞或位錯(cuò)墻，并伴有形變孿晶的形成。室溫冷軋變形量為30%時(shí)，試樣內(nèi)部位錯(cuò)線大量增殖，且位錯(cuò)線之間相互纏結(jié)逐漸形成位錯(cuò)墻(見(jiàn)圖3a)。室溫冷軋變形量增至90%后，試樣內(nèi)部出現(xiàn)大量形變孿晶，位錯(cuò)與形變孿晶發(fā)生交互作用導(dǎo)致奧氏體晶粒發(fā)生嚴(yán)重碎化(見(jiàn)圖3b)。從圖3b右上角相應(yīng)的選區(qū)電子衍射圖譜可以看出：該變形量下奧氏體基體組織衍射斑點(diǎn)已經(jīng)趨向于連續(xù)成環(huán)，意味著該變形量下奧氏體基體組織晶粒細(xì)小且取向趨于隨機(jī)分布[14]。文獻(xiàn)[15]在對(duì)高氮奧氏體不銹鋼冷軋中也發(fā)現(xiàn)：在冷軋變形過(guò)程中，變形量較小時(shí)的組織以位錯(cuò)滑移和位錯(cuò)的增殖、積累為主，變形量較大時(shí)的組織則以形變孿晶為主。實(shí)際上，在軋制變形過(guò)程中，位錯(cuò)滑移、位錯(cuò)增殖、位錯(cuò)相互作用和形變孿晶都是同時(shí)存在的，只是在不同的變形階段中所占比例不同。深冷軋制變形量為30%時(shí)，試樣內(nèi)部位錯(cuò)線數(shù)量急劇增大，眾多的位錯(cuò)線相互作用形成大量的位錯(cuò)纏結(jié)和位錯(cuò)墻，如圖3c中的A區(qū)域，且形成的位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)分布不均勻。當(dāng)深冷軋制變形量為90%時(shí)，晶粒已經(jīng)完全碎化成大量細(xì)小的納米晶，如圖3d所示。從圖3d右上角的選區(qū)電子衍射圖譜中明顯觀察到：奧氏體基體組織衍射斑點(diǎn)已經(jīng)呈連續(xù)環(huán)狀，說(shuō)明在該變形量下的奧氏體不銹鋼基體組織晶粒，已經(jīng)被完全細(xì)化至納米量級(jí)。

圖3　不同變形條件下奧氏體不銹鋼的微觀組織形貌

與室溫冷軋后的奧氏體不銹鋼組織相比，深冷軋制后的組織變形程度更加顯著。之所以會(huì)出現(xiàn)這種情況，是因?yàn)樯罾滠堉颇軌蛴行б种莆诲e(cuò)發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)，使位錯(cuò)更容易發(fā)生塞積，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)更加困難，導(dǎo)致位錯(cuò)更容易增殖和積累。而隨著軋制變形量的增大，試樣內(nèi)部形成形變孿晶的時(shí)間要早于室溫冷軋，位錯(cuò)與位錯(cuò)之間，形變孿晶與位錯(cuò)之間，以及孿晶與孿晶之間的相互作用，使得原始奧氏體不銹鋼的粗大晶粒分割成許多細(xì)小的胞塊，逐漸形成納米量級(jí)的超細(xì)晶粒。

圖4　奧氏體不銹鋼冷軋大變形前后的XRD圖

圖5　不同變形條件下奧氏體不銹鋼維氏硬度　　　與變形量的關(guān)系

圖4為奧氏體不銹鋼不同溫度下大變形前、后的X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)圖譜，圖譜對(duì)比發(fā)現(xiàn)：大變形前后的試樣的衍射峰完全一致，沒(méi)有新的衍射峰出現(xiàn)，表明AISI310S奧氏體不銹鋼在不同溫度下大變形過(guò)程中，并未發(fā)生形變誘發(fā)馬氏體相變。與此同時(shí)，和軋制前試樣的衍射峰相比，室溫冷軋和深冷軋制后試樣的衍射峰均出現(xiàn)明顯的寬化現(xiàn)象，并且深冷軋制后的衍射峰寬化程度明顯高于室溫冷軋。致使衍射峰寬化的原因可能是：奧氏體不銹鋼深冷軋制后試樣內(nèi)部位錯(cuò)密度急劇增加，而深冷軋制又能有效地抑制位錯(cuò)發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，位錯(cuò)塞積程度更加嚴(yán)重，位錯(cuò)之間的交互作用也更加劇烈，導(dǎo)致試樣內(nèi)部產(chǎn)生大量的殘余應(yīng)力，深冷軋制后的晶粒細(xì)化程度要明顯高于室溫冷軋，在這兩者的共同作用下導(dǎo)致深冷軋制后的試樣組織衍射峰要寬于室溫冷軋[16]。

2.2力學(xué)性能

圖5為不同變形條件下奧氏體不銹鋼維氏硬度與變形量的關(guān)系曲線。由圖5可以看出：不同變形條件下維氏硬度變化趨勢(shì)一致，硬度值均隨著變形量的增大而增大，并且在同一變形量下，深冷軋制態(tài)試樣的維氏硬度明顯高于室溫冷軋態(tài)。固溶處理后奧氏體不銹鋼的硬度值約為260HV，變形量為90%時(shí)，室溫冷軋態(tài)和深冷軋制態(tài)硬度值分別為497HV和520HV，增幅高達(dá)91.2%和100.0%。這主要是因?yàn)樯罾滠堉朴行б种莆诲e(cuò)動(dòng)態(tài)回復(fù)，導(dǎo)致同一變形量下，高密度的位錯(cuò)、形變孿晶的形成、位錯(cuò)的增殖與積累，導(dǎo)致位錯(cuò)塞積和晶粒的細(xì)化都要高于室溫冷軋，且試樣內(nèi)部應(yīng)力的增大，導(dǎo)致硬度值變化高于室溫冷軋。從圖5還可觀察到：硬度值前期增幅較大，后期變化不明顯，趨于平緩，這是由于變形過(guò)程中產(chǎn)生大量的位錯(cuò)，位錯(cuò)相互纏結(jié)，形成位錯(cuò)胞和位錯(cuò)墻，隨著變形量的增加，位錯(cuò)之間相互作用增強(qiáng)，使得加工硬化程度加劇，導(dǎo)致維氏硬度值在變形初期急劇上升。隨著變形量的持續(xù)增加，位錯(cuò)數(shù)量和位錯(cuò)密度都將接近于飽和狀態(tài)，位錯(cuò)交互作用顯著加強(qiáng)的同時(shí)，阻礙位錯(cuò)的進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)，奧氏體不銹鋼基體組織中產(chǎn)生大量的形變孿晶來(lái)協(xié)調(diào)其劇烈的塑性變形，位錯(cuò)與形變孿晶的交互作用促進(jìn)了奧氏體晶粒的顯著細(xì)化，位錯(cuò)密度有所下降[14]，導(dǎo)致變形后期維氏硬度值趨于平緩。

圖6　不同變形條件下奧氏體不銹鋼變形量　　　與力學(xué)性能的關(guān)系

奧氏體不銹鋼經(jīng)室溫冷軋和深冷軋制不同變形量后的力學(xué)性能關(guān)系曲線如圖6所示。室溫冷軋變形前，奧氏體不銹鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為305 MPa、645 MPa和40.8%。室溫冷軋變形量90%時(shí)，試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為1 190 MPa、1 580 MPa和6.4%。而深冷軋制變形量為90%時(shí)，試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度分別為1 555 MPa和1 683 MPa，不同變形量的延伸率均略低于室溫冷軋態(tài)。當(dāng)變形量小于50%時(shí)，屈服強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度較大，但之后增大速度減慢，延伸率在前期下降速度較大，后期基本趨于穩(wěn)定。隨著變形量增大，組織內(nèi)部產(chǎn)生大量的位錯(cuò)，位錯(cuò)纏結(jié)程度加劇形成位錯(cuò)墻或位錯(cuò)胞，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)難以發(fā)生導(dǎo)致試樣內(nèi)部出現(xiàn)大量形變孿晶，形變孿晶和位錯(cuò)之間的交互作用急劇增加使得晶粒細(xì)化至納米量級(jí)，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度也隨之大幅增長(zhǎng)，而延伸率則一直呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。在同一變形量條件下，深冷軋制態(tài)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度要明顯高于室溫冷軋態(tài)，這主要是因?yàn)樯罾滠堉颇軌蛞种莆诲e(cuò)動(dòng)態(tài)回復(fù)的發(fā)生，使得位錯(cuò)密度高于室溫冷軋，進(jìn)一步阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，位錯(cuò)塞積導(dǎo)致加工硬化程度加劇。

2.3拉伸斷口形貌

奧氏體不銹鋼不同溫度下軋制大變形前后的拉伸斷口SEM形貌如圖7所示。

圖7　軋制大變形前后奧氏體不銹鋼的拉伸斷口SEM形貌

固溶處理后，該斷口表面密布著數(shù)量較多、平均尺寸約7 μm的大而深的韌窩，為典型的韌性斷裂特征。室溫冷軋變形90%后，試樣斷口已出現(xiàn)部分準(zhǔn)解理平面，但是斷口表面還殘留著大量尺寸較小、深度較淺且被拉長(zhǎng)的韌窩，表明此時(shí)材料發(fā)生的是準(zhǔn)解理與韌性混合的斷裂形式，如圖7b所示。當(dāng)深冷軋制變形量為90%時(shí)，試樣整體斷口較為平整，少量尺寸為1～2 μm、小而淺的韌窩分布在斷口表面，呈現(xiàn)出典型的準(zhǔn)解理斷裂特征，如圖7c和圖7d所示。和固溶處理態(tài)奧氏體不銹鋼相比，深冷軋制處理使得奧氏體不銹鋼的延伸率急劇下降，拉伸斷口形貌從典型的韌性斷裂向準(zhǔn)解理斷裂發(fā)生轉(zhuǎn)變。

3結(jié)論

(1)AISI310S奧氏體不銹鋼在不同溫度下大變形均未發(fā)生形變誘發(fā)馬氏體相變，深冷軋制態(tài)晶粒細(xì)化程度明顯高于室溫冷軋態(tài)，相應(yīng)的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度及硬度也明顯高于室溫軋制態(tài)，但其延伸率較為相近。

(2)室溫冷軋變形90%后，斷口形貌特征由典型的韌性斷裂向韌性和準(zhǔn)解理混合型斷裂轉(zhuǎn)變。深冷軋制變形90%后，斷口形貌特征則由典型的韌性斷裂向準(zhǔn)解理斷裂轉(zhuǎn)變，和原始奧氏體不銹鋼相比，不同溫度下大變形均使奧氏體不銹鋼試樣塑性急劇下降。

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作者簡(jiǎn)介：秦小才(1966-),男,河南武陟人,碩士生;熊毅(1975-),男,湖北當(dāng)陽(yáng)人,副教授,博士,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)殇摰慕M織控制與性能.

收稿日期：2016-03-28

文章編號(hào)：1672-6871(2016)04-0001-06

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.04.001

中圖分類號(hào)：TG142.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A