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AISI300系列奥氏体不锈钢具有优异的抗腐蚀性能、较好的耐热性能和很好的焊接性能,广泛应用于化学工业,石化工业和核工业等领域。然而AISI300系列不锈钢低的强度和差的耐磨性能难以满足更高要求的工程应用,同时增加了材料损耗,提高了工程应用成本。因此,提高材料的强度和耐磨性能,同时保持一定的塑性和抗腐蚀性能,对于AISI300系列不锈钢在工程领域的更广泛应用有着重要的意义。材料的强度与其微观结构密切相关,孪晶界作为一种特殊的低能界面和普通的大角晶界一样,能够阻碍位错运动,从而提高多晶体材料的强度。孪晶界对材料的增强作用与普通的大角晶界的增强作用相似,因此在AISI300系列不锈钢中引入高密度的纳米孪晶,将有可能有效地提高材料的强度。
本工作选用AISI316L不锈钢进行动态塑性变形处理和随后的退火处理,制备出纳米孪晶增强的AISI316L不锈钢。利用X射线衍射(XRD)、光学显微镜(OM)、透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)等实验方法研究了变形条件对AISI316L不锈钢变形机制的影响和AISI316L不锈钢动态塑性变形条件下的微观结构演化；利用维氏显微硬度试验和单向拉伸试验测定了动态塑性变形AISI316L不锈钢及其退火后的力学性能；分析AISI316L不锈钢微观结构组成和力学性能之间的内在联系。主要的研究结果有:
1.应变速率和温度对AISI316L不锈钢的变形机制有着重要的影响。室温动态塑性变形时,高应变速率引起的绝热效应能够有效抑制应变诱导马氏体转变的发生。同时高的应变速率和较低的温度能够有效抑制位错滑移,促使AISI316L不锈钢在室温动态塑性变形时主要以孪生来协调形变；
2.室温动态塑性变形时AISI316L不锈钢的微观结构演化为:形变孪晶的产生→绝热剪切带的形成和宽化→纳米晶的形成。在起始阶段,平均孪晶界面间距λ随形变量的增大而急剧减小,同时形变孪晶所占体积百分比逐步增大,当变形量ε≈0.57时,平均孪晶界面间距约为19nm,接近饱和值。此时,纳米孪晶体积百分比达到最大值,约为65％。当变形量大于0.57后,由于孪晶界面间距达到饱和值,难以通过形变孪生来协调均匀的塑性变形,导致剪切带的起始,剪切带内的孪晶演化为纳米晶粒。进一步的塑性变形导致剪切带的宽化和剪切带数目的增大,剪切带内两个或是多个剪切带合并形成纳米晶区。最终形成具有混合结构的AISI316L奥氏体不锈钢,其中高密度纳米孪晶束体积比例约为38％,纳米晶体积比例约为56％以及少量的高密度位错区域；
3.通过室温动态塑性变形形成的纳米晶和高密度纳米孪晶束有效的提高了AISI316L不锈钢的强度,材料的屈服强度(真应力)提高到1347±35MPa,约为粗晶AISI316L不锈钢屈服强度的4.5倍；
4.对室温动态塑性变形的AISI316L不锈钢进行退火处理,通过优化退火参数,可以获得由纳米孪晶和超细晶组成的复合结构,这种复合结构使AISI316L不锈钢具有很好的强塑性匹配:750℃退火25分钟后,AISI316L不锈钢的抗拉强度达到1001MPa,而断裂延伸率为23％。