增材制造316L不銹鋼胞結構在循環(huán)變形中的作用

來源： 材料科學與工程

由于具有自由成型和制造過程快速的優(yōu)點，增材制造（AM）展現(xiàn)出了巨大的科學價值。在眾多增材制造合金中，316L不銹鋼（316LSS）因其應用范圍廣和力學性能突出而受到廣泛關注。其優(yōu)異的拉伸強度主要得益于胞結構對位錯運動的強烈阻礙以及Hall-Petch強化作用，而較大的延伸率與位錯和胞結構相互作用產生持續(xù)穩(wěn)定的加工硬化作用有關。因此，胞結構對于獲得優(yōu)異的拉伸性能具有至關重要的作用。

迄今為止，大量研究主要報道的是增材制造合金的單調變形行為。然而，工程材料在服役時通常受循環(huán)載荷作用而不是單調載荷，且目前關于疲勞性能的數(shù)據十分有限。研究胞結構對增材制造合金疲勞行為的影響，尤其是基于位錯理論分析變形機制尚處在研究前沿。

近日，來自瑞典林雪平大學和中科院沈陽金屬所等單位的研究人員通過開展室溫高周疲勞試驗，對比分析了含/不含胞結構增材制造 316LSS樣品的疲勞性能和位錯組織等，揭示了胞結構在循環(huán)變形中的作用。

論文鏈接: https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114190

在相關研究論文中，作者通過退火熱處理（900 ℃/1050 ℃，10 min）獲得了胞結構體積分數(shù)不同的兩種樣品，其中1050 ℃退火樣品為不含胞結構樣品，而未退火樣品具有完整的胞結構。對上述三類樣品進行室溫高周疲勞試驗發(fā)現(xiàn)，與不含胞結構的樣品相比，完整胞結構樣品的疲勞過程僅包含穩(wěn)態(tài)和過載階段而無最初的軟化階段，且該樣品具有更高的強度、更低的循環(huán)軟化速率以及更長的壽命，如圖1所示。

圖1. （a-c）未退火和900 ℃/1050 ℃退火樣品的總應變范圍-循環(huán)次數(shù)關系；（d）總應變范圍-歸一化循環(huán)次數(shù)（N/Nf）關系；（e）圖1（d）中歸一化循環(huán)次數(shù)在0.2以內的曲線放大圖；（f）未退火和1050 ℃退火樣品達92%疲勞壽命時的滯后回線；（g）總應力范圍-失效循環(huán)次數(shù)關系。

借助掃描電子顯微鏡（SEM）和背散射電子衍射（EBSD）發(fā)現(xiàn)，含/不含胞結構的樣品變形前后晶粒取向、大小和形狀變化不大，如圖2所示。然而，通過透射電子顯微鏡（TEM）分析發(fā)現(xiàn)，這兩類樣品變形后的主要位錯組織有所區(qū)別。如圖3和圖4所示，完全胞狀樣品變形后觀察到了平面位錯組織，如滑移帶（SB）、堆垛層錯（SFs）和變形孿晶（DTs），而在不含胞結構的樣品中出現(xiàn)了條紋狀和（或）胞狀位錯亞結構。

圖2. 未退火樣品與1050 ℃退火樣品變形前后的顯微組織。（a, b, g1, h1）帶襯度（BC）和晶粒取向分布疊加圖；（c, d）變形前胞結構SEM照片；（e, f）變形前位錯組織TEM照片；（g2, h2）Kernel平均取向差（KAM）分布圖。

圖3. 未退火樣品變形后的TEM明場照片，包括（a, b）滑移帶（SB），（c, d, f, g）起源于位錯墻的大量堆垛層錯（SFs）和（e, h）一些變形孿晶。（i）納米孿晶束和孿晶界（黃線）原子結構高分辨透射電子顯微（HRTEM）照片。

圖4. 1050 ℃退火樣品變形后的TEM明場照片。（a, b）位錯亞結構如位錯胞和位錯條紋；（c-e）位錯胞放大照片，包括致密位錯網；（f）少量SFs。

總之，作者報道了胞結構對增材制造 316LSS疲勞行為的影響。胞結構的存在將促進平面滑移系的開動和誘導形成平面位錯組織如SFs和DTs，引起不均勻的應變累積，從而促進疲勞變形。

相關論文以題為“Cyclic response of additive manufactured 316L stainless steel: The role of cell structures”發(fā)表在Scripta Materialia上。