金属及其合金的强化和韧化,是材料研究领域的重点课题之一。但是通常情况下,大多数有效提高材料强度的方法,都会造成塑性的降低,这一现象被称为“强度-塑形矛盾”(strength–ductility trade-off)。研究发现,在金属材料中引入梯度结构,可以有效解决这一难题。梯度结构材料兼具高强度、高塑性和优良的表面性能,因此受到广泛的关注。但是目前存在的梯度材料制备方法,存在很多的局限,如普适性差、设备昂贵、材料尺寸小和界面结合差等。另外,在国内外研究中,关于梯度结构的引入、梯度结构对组织性能及力学性能影响的研究还不完善。在研究304奥氏体不锈钢的相变强化问题时,我们提出一种新策略,通过在奥氏体基体中引入梯度分布的马氏体相,以达到增强、增韧的目的。选择直径为10mm的商业冷轧态304SS不锈钢棒材,在1050℃下保温0.5h后水淬,获得完全奥氏体组织的不锈钢棒材。利用线切割制备扭转和拉伸样品。采用自由端扭转工艺(FET法),获得形变诱发马氏体含量从边部到心部呈现梯度分布的AISI304奥氏体不锈钢棒材。比较了由单向扭转工艺(UT)和循环往复扭转工艺(CFRT)制备的梯度结构304钢的微观结构和拉伸性能。研究表明,在扭转过程中,心部区域产生的堆积位错在随后的拉伸变形中起到关键作用,并且控制着样品的形变硬化能力。此外,由于扭转变形的特点,引入梯度分布的马氏体颗粒和梯度分布纳米孪晶,大幅度提升表面层的强度和样品的拉伸性能。在单向扭转的基础上,我们创新提出的循环往复扭转工艺,改善了原来单向扭转处理后样品变形严重、产生显微裂纹等问题。我们观察到奥氏体不锈钢样品循环次数达到1000次而未发生断裂,累计扭转角度提升了1-2个数量级。与单向扭转工艺相比,CFRT技术在诱导马氏体转变方面更有效,而且增强了马氏体颗粒的梯度分布。这些发现为通过梯度分布的第二相颗粒开发高强度和良好延展性钢和其他合金金属提供了途径。此外,本文采用CFRT工艺,在室温下以低速扭转和高速扭转对商业AISI 304不锈钢棒进行处理。利用EBSD、TEM,系统地表征了CFRT处理样品的心部和边部的微观结构,探讨了在CFRT工艺中,扭转速度对显微组织和力学性能的影响,讨论了扭转速度对梯度结构钢的扭转行为和拉伸应变硬化机制的影响。结果表明,循环往复扭转工艺可以在不锈钢棒材内部引入梯度分布的马氏体颗粒,大幅度提升了材料的力学性能。与低速扭转相比,高速扭转样品表面具有更高的马氏体含量,并且样品表面中的堆垛层错(SF),纳米孪晶(NTs)和位错缠结(DT)更低。也就是说,在CFRT工艺中,高速扭转在表面层中诱导马氏体更有效。拉伸实验表明,高速扭转样品中较高的梯度马氏体含量导致材料表面强度大幅提高、抗拉强度有所降低。总体研究表明,在304奥氏体不锈钢中引入梯度微观结构,如梯度马氏体分布、梯度纳米孪晶和梯度位错,可以有效实现奥氏体不锈钢的增强和增韧。与传统的塑性变形技术相比,扭转工艺引入的梯度结构可以使奥氏体不锈钢具有更高的屈服强度,同时具有良好的塑性,有望在汽车用高强钢领域实现轻量化设计。此外,扭转工艺的设备简单、成本低廉、可以实现大尺寸样品加工,在扭转前后配合不同的热处理、表面处理工艺,可以达到不同的应用目的,因此扭转工艺在制备高性能梯度材料上具有广阔的研究价值和应用前景。