上海交通大学等对增材制造316L不锈钢中的异质滑移定位研究
增材制造的 316L 不锈钢显示出比铸态或锻造不锈钢高得多的屈服强度，这与增材制造过程中发生的高冷却速率导致的微观蜂窝结构和复杂的晶粒和亚晶粒结构有关。
来自美国伊利诺伊大学香槟分校，上海交通大学材料科学与工程学院轻合金精密成型国家工程研究中心，弗吉尼亚大学材料科学与工程系，加州大学圣巴巴拉分校的研究人员通过《Heterogeneous slip localization in an additively manufactured 316L stainless steel》论文，对 AM增材制造316L 材料在早期塑性应变下的微观结构和滑移定位进行了统计和定量研究。 此类研究提供的证据表明，增材制造竣工材料中亚晶粒微观结构特征的不均匀性密切控制着滑动变形，从而控制着增材制造材料的强度。
本期将分享以上相关研究论文的主要内容。
相关研究发表在International Journal of Plasticity，Volume 159, December 2022, 103436
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0749641922002145
研究背景
与锻造 316L 不锈钢相比，在增材制造的 316L 不锈钢中观察到显着的异质滑移局部化，观察细胞结构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额外强化主要与充当错位林型障碍的细胞结构有关。
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金属增材制造 (AM) 获得了越来越多的兴趣，因为该工艺能够制造出具有独特几何形状的近净形部件，否则这些部件很难通过传统制造方法制造。同样，增材制造（AM） 提供的组件创建几乎没有材料浪费，而且不需要传统方法所需的专用工具， 这使得 AM 成为传统制造的竞争对手，并吸引了寻求改进 AM 工艺和材料以及开发可使用该产品的工程应用的研究人员的注意力。
激光粉末床熔融 (LPBF) 是用于金属 AM 的最普遍技术之一。为了生产具有高尺寸精度、低孔隙率和最小开裂敏感性的组件，人们发现 LPBF 激光粉末床熔融工艺会产生微观晶粒和亚晶粒结构。这些由位错、沉淀物和小角度晶界组成的亚稳态亚晶胞结构已被证明会显着影响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时，蜂窝结构的存在可以显着提高屈服强度。
研究增材制造的微观结构对塑性变形和应变硬化行为的作用对于理解增材制造金属的结构-性能关系至关重要。在 316L 不锈钢室温变形过程中的不同阶段，可以激活不同的并发变形机制，例如滑移、变形孪生和马氏体转变。这些变形机制与 增材制造-AM 微观结构特征之间存在显着的相互作用。在低到中等应变水平下，位错滑移是主要的变形机制，滑移位错与增材制造胞状结构和晶粒结构之间的相互作用控制着增材制造 316L 不锈钢的早期应变-应力行为。
论文亮点
使用 X 射线衍射线轮廓分析来测量整体位错密度，增材制造材料相对于传统锻造材料具有更高屈服强度归因于前者通过泰勒强化关系具有更高的位错密度。另一方面，采用小规模机械试验来得出细胞不同方面对位错滑移的影响。显示在微柱中，微柱是由异质增材制造微结构制成的单晶包含相同类型的细胞，细胞相对于应变方向的方向不会强烈影响强度或硬化行为，并且细胞大小仅表现出微弱的影响 与屈服强度呈线性关系。
微观结构的不均匀性和亚晶粒结构与晶粒邻域之间预期的相互作用表明，应该以集体和统计的方式分析位错滑移。例如，异质细胞结构与滑动位错之间的相互作用仍有待进一步探索。承认微观结构的显着异质性，特别优选对各种微观结构配置的滑移进行统计分析。这一点更为关键，因为增材制造-AM 样本存在明显不同的位错单元特征。
这些异质性源于不同方向的枝晶合并的高度异质过程、熔池周围固化材料的热弹性变形应力、熔池内的反复热循环以及溶质偏析和颗粒引起的内应力，导致细胞壁处的位错纠缠密度不同。通过高分辨率数字图像相关 (HR-DIC) 技术的发展，捕获多晶内滑移的完整特征已经成为可能，该技术可以在变形过程中，在毫米视场上以纳米分辨率提取滑移活动。
此外，高级合并算法提供了通过 HR-DIC、电子背散射衍射 (EBSD) 和背散射电子 (BSE) 相关测量将变形滑移与微观结构相关联的机会。这套新型工具目前用于评估增材制造微观结构对增材制造 316L 不锈钢塑性定位和变形滑移的影响。这些多模态测量可以捕捉细胞和晶粒结构的异质性及其对变形滑移的影响，通过优化 AM 工艺参数，可以获得无缺陷窗口，并允许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，科研界对 AM 增材制造工艺参数影响的了解允许在加工过程中控制微观结构，为材料设计开辟了新途径。因此，了解分层增材制造微观结构将为增材制造材料的机械性能提供信息，并有助于指导增材制造材料的设计。
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