金属增材制造（AM）促进了定制、灵活、小规模生产和复杂、轻的组件，在航空航天、汽车和生物医学领域具有比较高的潜力。AM过程中，独特的循环热历史创造了一个非均匀的微观结构，这导致了各向异性的力学性能。对于大多数功能工程应用，各向异性是不利的，必须在应力分析中加以考虑。目前对增材制造（AM）所产生的力学性能各向异性尚未完全了解，可能取决于许多因素，如粉末材料、制造技术和打印参数。来自Department of Mechanical Engineering, Technical University of Denmark的K. Somlo等通过晶体塑性模拟，研究了现有的激光粉末床熔合（LPBF）奥氏体不锈钢316L和钛合金Ti-6Al-4V的各向异性力学性能。

      针对两种材料进行了力学性能测试和微观结构表征，作者采用了其他学者的实验和表征结果（如图1）。从表征结果来看，Ti-6Al-4V有着非常精细和分层的微观结构，通过XRD无法获得具有统计学代表性的晶体取向数据。但316L不同，我们可以通过XRD获得具有统计学代表性的晶体取向数据（如图2）。因此，在几何建模时候，作者在取向方面，采用每个主晶粒包含两个相互正交的晶体取向，对应于一层和次层的方式（如图3）。

       随后作者进行晶体塑性有限元模拟，得到应力应变曲线图（如图4）。和实验曲线的对比来看，两种材料的各向异性拉伸性能精度较好，精度合理。然而，对于316L，通过模拟无法得到弹性各向异性，塑性各向异性也被略微低估（图4a）。尽管采用了相同的AM工艺和扫描策略，但316L和Ti-6Al-4V的各向异性屈服应力比值却相反。与平行于平面的方向相比，LPBF Ti-6Al-4V在BD上更强，而LPBF 316L在BD上较弱。不同的各向异性必须主要源于不同的晶粒取向和晶体形态。

作者描述了以同样的方式对LPBF制造的Ti-6Al-4V和316L进行的数值和实验结果。首先，给出了实验中的应力-应变曲线，作为RVE校准的基础。其次，通过比较标本的模拟和实验应力-应变曲线，其轴分别垂直于BD（90°）和平行于BD（0°）。最后，给出了材料的Yld2004-18p和Hill-48屈服面，并与RVE模拟的屈服点相吻合。LPBF 316L和Ti-6Al-4V均表现出弹性和塑性各向异性，但变化趋势相反。316L材料对平行于建造方向（垂直）加载的样品显示出较低的强度和刚度，而Ti-6Al-4V则相反。这和其他文献中的实验结果是吻合的。

 图1. LPBF金属的微观结构特征：(a)和(b) Ti-6Al-4V标本的LOM显微图，(c)和(d) 分别是316L不锈钢的LOM显微图和EBSD图。BD是从下到上的，在EBSD图中，高角晶界（>15°）用黑色表示，低角晶界（2-15°）用白色表示。反极图（IPF）颜色代码表示轴的晶粒取向。

图2. 由XRD测量的LPBF 316L的极图，BD在极图的中心

图3. (a) Ti-6Al-4V的RVEs；(b) 316L的RVEs， (c)Ti-6Al-4V的合成IPF图；(d) 316L的IPF图。

图4 (a) 316L和(b) Ti-6Al-4V在工程应变为2.5%时的平均实验和数值应力-应变曲线。

相关研究成果以“Anisotropic yield surfaces of additively manufactured metals simulated with crystal plasticity”为题发表在European Journal of Mechanics / A Solids上（VOL. 54, January 2022, 104506）论文第一作者和通讯作者是K. Somlo。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.euromechsol.2022.104506

文章来源：多尺度力学

(责任编辑：admin)

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