金屬所等《Scripta Mater》：增材制造316L不銹鋼的循環(huán)響應(yīng)！

來源：材料科學(xué)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(xué)價值。在眾多AM合金中，316L不銹鋼（316LSS）因其應(yīng)用范圍廣和力學(xué)性能突出而受到廣泛關(guān)注。其優(yōu)異的拉伸強度主要得益于胞結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)相互作用產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的加工硬化作用有關(guān)。因此，胞結(jié)構(gòu)對于獲得優(yōu)異的拉伸性能具有至關(guān)重要的作用。

迄今為止，大量研究主要報道的是AM合金的單調(diào)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(diào)載荷，且目前關(guān)于疲勞性能的數(shù)據(jù)十分有限。研究胞結(jié)構(gòu)對AM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(xué)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(jié)構(gòu)AM 316LSS樣品的疲勞性能和位錯組織等，揭示了胞結(jié)構(gòu)在循環(huán)變形中的作用。相關(guān)論文以題為“Cyclic response of additive manufactured 316L stainless steel: Therole of cell structures”發(fā)表在Scripta Materialia上。

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

本文中，作者通過退火熱處理（900 ℃/1050 ℃，10 min）獲得了胞結(jié)構(gòu)體積分數(shù)不同的兩種樣品，其中1050 ℃退火樣品為不含胞結(jié)構(gòu)樣品，而未退火樣品具有完整的胞結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)的樣品相比，完整胞結(jié)構(gòu)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(yīng)變范圍-循環(huán)次數(shù)關(guān)系；（d）總應(yīng)變范圍-歸一化循環(huán)次數(shù)（N/Nf）關(guān)系；（e）圖1（d）中歸一化循環(huán)次數(shù)在0.2以內(nèi)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(yīng)力范圍-失效循環(huán)次數(shù)關(guān)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的樣品中出現(xiàn)了條紋狀和（或）胞狀位錯亞結(jié)構(gòu)。

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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(wǎng)；（f）少量SFs。

總之，作者報道了胞結(jié)構(gòu)對AM 316LSS疲勞行為的影響。胞結(jié)構(gòu)的存在將促進平面滑移系的開動和誘導(dǎo)形成平面位錯組織如SFs和DTs，引起不均勻的應(yīng)變累積，從而促進疲勞變形。