金屬3D打印316L不銹鋼的微觀殘余應力：計算模擬分析

2022年2月，南極熊獲悉，新加坡國立大學閆文韜團隊，發(fā)布了一篇關于金屬增材制造（316L不銹鋼）微觀殘余應力機理的數(shù)值模擬工作論文，在固體力學期刊JMPS上。

近年來，金屬增材制造因其制造復雜幾何形狀的零件的卓越能力而備受關注。然而，制造過程中的較高溫度梯度會導致殘余應力，進而導致零件的變形甚至破裂。本文使用數(shù)值計算方法，在晶粒尺度上研究了增材制造零件中殘余應力的形成和演變，具體計算框架結合了多物理場熱流體流動模型、晶粒生長相場模型和晶體塑性有限元模型。首先，該框架通過將模擬結果與兩個采用不同工藝參數(shù)的316L不銹鋼樣品中的不同晶粒族的晶格應變實驗結果進行對比而得到驗證。然后研究了樣品中殘余應力、塑性變形和晶粒取向之間的關系。在激光掃描過程中可以觀察到殘余應力是由于晶粒受到壓縮-拉伸作用而形成的，而這在熔池內部尤為明顯，因此熔池的形狀對殘余應力分布有顯著影響。此外，仿真預測了冷卻階段塑性變形的在晶粒之間的重新分布，且較大的殘余應力出現(xiàn)在沿激光掃描方向。這項工作為理解增材制造零件中微尺度殘余應力的產生和演變機制提供了新的參考。

△計算仿真方法示意圖

△仿真與實驗的晶格應變對比方法示意圖及結果

金屬增材制造(Additive manufacturing, AM)過程中，由于較高的溫度梯度和快速的加熱-冷卻過程，會產生較高的殘余應力，進而導致零件發(fā)生翹曲或開裂。本文通過計算仿真方法，研究了微觀殘余應力在增材制造過程中的產生和演變過程，以期為降低增材制造零件中的殘余應力提供參考。本文采用耦合了多物理場熱流體模型-相場晶粒生長模型-晶體塑性有限元模型的計算框架，模擬出了激光粉末選區(qū)熔化制造過程中316L不銹鋼材料的熱-力學行為，并通過與原位實驗結果中的晶格應變演化對比驗證，有力地闡釋了增材制造零件中殘余應力在晶粒尺度上的產生和演變機理。

△塑性變形在增材制造冷卻過程中的重新分布

來自新加坡國立大學機械工程系的閆文韜教授團隊，開發(fā)了能夠模擬過程-結構-性能關系的數(shù)值計算方法，實現(xiàn)激光粉末選區(qū)熔化過程的殘余應力模擬，進一步解釋了增材制造過程中微觀殘余應力的產生機理、分布特征和演變規(guī)律。該研究最主要的貢獻在晶粒尺度上揭示了增材制造零件中殘余應力的特征和機理如下：
1) 激光掃描過程導致的熱膨脹和收縮使得材料在約束下發(fā)生不均勻的塑性變形，其復雜的拉壓受力特性導致了殘余應力的產生。
2) 殘余應力的分布與熔池特征相關，拉應力多集中于熔池軌跡中的伸長晶內，且殘余應力的大小與晶粒取向相關。
3)在冷卻階段，晶粒之間的不相容塑性變形會進行逐漸均勻化再分布以降低殘余應力。該研究提出了針對增材制造零件的殘余應力的計算模擬方法，且此方法表現(xiàn)出了能夠通過輸入工藝參數(shù)預測最終材料性能和殘余應力的潛力。同時，本研究中的結果揭示了殘余應力的產生和演化機理，為優(yōu)化工藝參數(shù)來降低殘余應力提供了新的參考。該文近期發(fā)表于Journal of the Mechanics and Physics of Solids 104822 (2022)。
（原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0022509622000394）


通訊作者介紹：
閆文韜：
新加坡國立大學機械工程系助理教授。2012年獲得清華大學工學學士學位，2017年獲得美國西北大學與清華大學聯(lián)合培養(yǎng)博士學位，2018年在西北大學機械工程系完成博士后研究，任美國國家標準與技術研究院（NIST）的客座研究員。目前從事金屬增材制造（如電子束選區(qū)熔化，激光選區(qū)熔化）中的數(shù)值模擬、實驗驗證和數(shù)據分析等研究工作。

目前閆文韜老師團隊誠招優(yōu)秀博士后加入，申請人需有以下至少一項專長：
1）固體力學或流體力學中的計算建模，有限元法、有限體積法、流體體積法、相場、元胞自動機、蒙特卡洛等計算方法，傳熱、多相流、金屬相變、晶體塑性、 熱-機械模擬等
2）金屬增材制造（SLM、EBM、LENS 等）或類似的金屬制造（焊接、鑄造、粉末冶金等）。
3）拓撲優(yōu)化。
4）數(shù)據驅動的代理建模、機器學習。
歡迎感興趣的的申請人發(fā)郵件至mpeyanw@nus.edu.sg，請附上CV。
團隊詳情參見https://blog.nus.edu.sg/yanwt

本文另一作者Nicolò Grilli原為閆文韜團隊博士后，目前已出站并在英國布里斯托大學擔任教職，正在組建團隊，主要研究領域包括晶體塑性，固體力學，增材制造，位錯動力學，斷裂疲勞等領域，歡迎感興趣的相關領域同學交流合作。
詳情參見https://research-information.bri ... rilli#opennewwindow