良好的强度与塑性匹配是结构材料研发的重要目标之一。双相不锈钢显微组织由奥氏体与铁素体组成,具有良好的强度与塑性匹配。这种双相显微组织在形变过程中两相之间合理地分配应力与应变是双相不锈钢具有良好力学性能的主要原因之一。虽然人们在这一领域进行了大量的研究,但是目前对于双相不锈钢中两相之间应力应变分配规律的认识仍然不够充分。本课题利用同步辐射高能X射线衍射、微区X射线衍射、扫描电子显微镜、微观数字图像相关法等手段,从多角度与多尺度原位地观察双相不锈钢两相的应力应变分配行为。在此基础上,结合电子背散射衍射与透射电子显微镜系统地分析了双相不锈钢的变形机理。本文的主要研究内容和结论包括:1.建立了同步辐射高能X射线、微观数字图像相关法、电子背散射衍射以及透射电子显微镜相结合的多尺度研究方法。利用这种方法多尺度地分析了 2205双相不锈钢中奥氏体与铁素体之间的非均匀变形行为。研究发现,随着形变量的增加,奥氏体首先发生屈服,此时铁素体仍然保持弹性变形,并且显微组织开始产生微观应力应变分配的现象。当奥氏体与铁素体均发生屈服后,由于奥氏体与铁素体之间较小的硬度差,奥氏体中的应变可以穿过界面传递到邻近的铁素体晶粒之中。此时,由于奥氏体层错能较低,奥氏体晶粒中的变形相比于铁素体晶粒的更加均匀。另外,几何必需位错在奥氏体晶粒中塞积导致了在奥氏体晶粒中产生了背应力,铁素体晶粒中产生了前应力,使两相之间的交互作用更为剧烈。2.通过原位微区X射线衍射、动态显微硬度测量以及扫描电子显微镜研究了2205双相不锈钢中奥氏体与铁素体的动态应力应变分配现象,以及其对材料力学性能的影响。研究发现,由于奥氏体是初始较软的相,在变形初期承担更大的应变;同时,奥氏体具有更低的层错能,在形变过程中具有更高的加工硬化能力,导致奥氏体表现出比铁素体更显著的加工硬化行为。奥氏体的显微硬度会在形变过程中超过铁素体成为更硬的相,并使铁素体在随后的变形过程中承担的应变增加。本研究将这种由于两相微观显微硬度转换引起的应力应变分配变化的现象称为动态应力应变分配。动态应力应变分配可以使铁素体在形变后期承担更大的应变,进而提高铁素体以及整体材料的加工硬化率,并最终提高材料的力学性能。另外,本研究初步实现了通过调整两相的微观应变分配以及微观加工硬化能力以改变动态应力应变分配的目的,并进一步影响了材料的宏观力学性能。3.通过扫描电子显微学、电子背散射衍射以及透射电子显微学研究了 2205双相不锈钢中位错与界面之间的交互作用。研究发现,在形变过程中,奥氏体与铁素体之间的界面可以阻碍奥氏体中的滑移带穿过界面进入到铁素体之中,但也出现部分奥氏体中的滑移带穿过界面进入到铁素体之中的情况。界面的传递因子m’是影响奥氏体中滑移带能否穿过界面进入到铁素体的关键因素。当m’较大时,奥氏体中的滑移带可以穿过界面进入到铁素体,此时会使铁素体中的位错滑移方式发生改变,并且不易形成位错塞积。当m’较小时,奥氏体中的滑移带不易穿过界面进入到铁素体,此时铁素中滑移带为波状滑移带,且在界面处容易产生位错塞积。通过透射电子显微镜进一步观察了显微组织中不同的界面与位错之间的交互作用,发现位错在进入界面后发生旋转并向邻近晶粒中发射位错。4.通过同步辐射高能X射线衍射与电子背散射衍射研究了 Fe-20Cr-0.5Ni双相不锈钢中形变诱导相变现象及其对应力应变分配的影响。研究发现,在形变过程中Fe-20Cr-0.5Ni双相不锈钢中的奥氏体可以发生形变诱导相变,并形成较硬的马氏体组织使材料的加工硬化率升高。但是当奥氏体无法继续发生形变诱导相变后,产生的高硬度马氏体使后续的变形无法得到良好的协调,这使材料加工硬化率迅速下降并发生颈缩。在微观弹性阶段,部分奥氏体开始发生形变诱导相变;当奥氏体屈服后,其形变诱导相变的速率增加;当铁素体发生屈服后,奥氏体形变诱导相变的速率达到最大值。在这一过程中,奥氏体的屈服会导致应力传递至较硬的铁素体以及马氏体中;而铁素体发生屈服后应力会传递至奥氏体以及马氏体中。马氏体在变形过程中始终保持弹性变形。另外,本研究还调整合金中的C和N的含量,发现C元素对奥氏体机械稳定性的影响大于N元素。