上海交通大學等對增材制造316L不銹鋼中的異質滑移定位研究
增材制造的 316L 不銹鋼顯示出比鑄態或鍛造不銹鋼高得多的屈服強度，這與增材制造過程中發生的高冷卻速率導致的微觀蜂窩結構和復雜的晶粒和亞晶粒結構有關。
來自美國伊利諾伊大學香檳分校，上海交通大學材料科學與工程學院輕合金精密成型國家工程研究中心，弗吉尼亞大學材料科學與工程系，加州大學圣巴巴拉分校的研究人員通過《Heterogeneous slip localization in an additively manufactured 316L stainless steel》論文，對 AM增材制造316L 材料在早期塑性應變下的微觀結構和滑移定位進行了統計和定量研究。 此類研究提供的證據表明，增材制造竣工材料中亞晶粒微觀結構特征的不均勻性密切控制著滑動變形，從而控制著增材制造材料的強度。
本期將分享以上相關研究論文的主要內容。
相關研究發表在International Journal of Plasticity，Volume 159, December 2022, 103436
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0749641922002145
研究背景
與鍛造 316L 不銹鋼相比，在增材制造的 316L 不銹鋼中觀察到顯著的異質滑移局部化，觀察細胞結構和低角度晶界以控制初始塑性。此外，滑移定位特征表明增材制造材料的額外強化主要與充當錯位林型障礙的細胞結構有關。
© 3D科學谷
金屬增材制造 (AM) 獲得了越來越多的興趣，因為該工藝能夠制造出具有獨特幾何形狀的近凈形部件，否則這些部件很難通過傳統制造方法制造。同樣，增材制造（AM） 提供的組件創建幾乎沒有材料浪費，而且不需要傳統方法所需的專用工具， 這使得 AM 成為傳統制造的競爭對手，并吸引了尋求改進 AM 工藝和材料以及開發可使用該產品的工程應用的研究人員的注意力。
激光粉末床熔融 (LPBF) 是用于金屬 AM 的最普遍技術之一。為了生產具有高尺寸精度、低孔隙率和最小開裂敏感性的組件，人們發現 LPBF 激光粉末床熔融工藝會產生微觀晶粒和亞晶粒結構。這些由位錯、沉淀物和小角度晶界組成的亞穩態亞晶胞結構已被證明會顯著影響增材制造零部件的工程特性。有趣的是，在保持高延展性的同時，蜂窩結構的存在可以顯著提高屈服強度。
研究增材制造的微觀結構對塑性變形和應變硬化行為的作用對于理解增材制造金屬的結構-性能關系至關重要。在 316L 不銹鋼室溫變形過程中的不同階段，可以激活不同的并發變形機制，例如滑移、變形孿生和馬氏體轉變。這些變形機制與 增材制造-AM 微觀結構特征之間存在顯著的相互作用。在低到中等應變水平下，位錯滑移是主要的變形機制，滑移位錯與增材制造胞狀結構和晶粒結構之間的相互作用控制著增材制造 316L 不銹鋼的早期應變-應力行為。
論文亮點
使用 X 射線衍射線輪廓分析來測量整體位錯密度，增材制造材料相對于傳統鍛造材料具有更高屈服強度歸因于前者通過泰勒強化關系具有更高的位錯密度。另一方面，采用小規模機械試驗來得出細胞不同方面對位錯滑移的影響。顯示在微柱中，微柱是由異質增材制造微結構制成的單晶包含相同類型的細胞，細胞相對于應變方向的方向不會強烈影響強度或硬化行為，并且細胞大小僅表現出微弱的影響 與屈服強度呈線性關系。
微觀結構的不均勻性和亞晶粒結構與晶粒鄰域之間預期的相互作用表明，應該以集體和統計的方式分析位錯滑移。例如，異質細胞結構與滑動位錯之間的相互作用仍有待進一步探索。承認微觀結構的顯著異質性，特別優選對各種微觀結構配置的滑移進行統計分析。這一點更為關鍵，因為增材制造-AM 樣本存在明顯不同的位錯單元特征。
這些異質性源于不同方向的枝晶合并的高度異質過程、熔池周圍固化材料的熱彈性變形應力、熔池內的反復熱循環以及溶質偏析和顆粒引起的內應力，導致細胞壁處的位錯糾纏密度不同。通過高分辨率數字圖像相關 (HR-DIC) 技術的發展，捕獲多晶內滑移的完整特征已經成為可能，該技術可以在變形過程中，在毫米視場上以納米分辨率提取滑移活動。
此外，高級合并算法提供了通過 HR-DIC、電子背散射衍射 (EBSD) 和背散射電子 (BSE) 相關測量將變形滑移與微觀結構相關聯的機會。這套新型工具目前用于評估增材制造微觀結構對增材制造 316L 不銹鋼塑性定位和變形滑移的影響。這些多模態測量可以捕捉細胞和晶粒結構的異質性及其對變形滑移的影響，通過優化 AM 工藝參數，可以獲得無缺陷窗口，并允許制造具有最少熔合缺陷或孔隙度缺失含量的 AM增材制造材料。
此外，科研界對 AM 增材制造工藝參數影響的了解允許在加工過程中控制微觀結構，為材料設計開辟了新途徑。因此，了解分層增材制造微觀結構將為增材制造材料的機械性能提供信息，并有助于指導增材制造材料的設計。
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