《Nature》子刊：原位中子衍射揭示3D打印中受控應變演化的機制！

來源：增材在線

殘余應力會影響大多數(shù)制成品的性能和可靠性，并且在鑄造、焊接和增材制造（AM、3D打�。┲衅毡榇嬖凇�殘余應力與瞬態(tài)熱應力產(chǎn)生的塑性應變梯度相關。增材制造中復雜的熱條件會產(chǎn)生類似的復雜殘余應力模式。然而，使用傳統(tǒng)技術無法實時測量工藝對應力演變的影響。

近日，美國橡樹嶺國家實驗室與田納西大學諾克斯維爾分校研究團隊合作在《nature communications》（中科院1區(qū)，Top，影響因子16.6）發(fā)表最新研究成果“Operando neutron diffraction reveals mechanisms for controlled strain evolution in 3D printing”，使用原位中子衍射來表征低溫轉(zhuǎn)變鋼增材制造過程中的瞬態(tài)相變和晶格應變演化。

結合衍射、紅外和模擬數(shù)據(jù)表明，彈性和塑性應變分布是由面心立方和體心立方相界的運動控制的。該研究為設計增材制造部件中的殘余應力狀態(tài)和性能分布提供了一條新途徑。這些發(fā)現(xiàn)將能夠控制殘余應力分布，從而實現(xiàn)提高疲勞壽命或抗應力腐蝕開裂等優(yōu)點。

圖1. A 采用線弧增材制造技術生產(chǎn)低碳鋼和低溫轉(zhuǎn)變(LTT250)鋼樣品。樣品分為三個部分并在其間冷卻至室溫。B 非原位中子衍射測量（在HFIR處收集）顯示彈性晶格應變隨中心線高度的變化。C 構建了操作增材制造裝置，用于監(jiān)測SNS加工過程中的溫度、相變和晶格應變。D 膨脹測量數(shù)據(jù)顯示了增材制造LTT鋼的近似相變溫度。E 操作實驗程序示意圖，包括三個部分的構建，中間使用主動冷卻冷卻至室溫，然后繪制晶格應變圖。

圖2. 在LTT鋼制造過程中，在A 階段1、B 階段2和 C 階段3期間使用紅外(IR)熱成像技術測量溫度分布隨時間的變化，在此期間樣品冷卻至室溫（規(guī)模為1 cm）。在相關構建部分的制造過程中，在指定點收集時間分辨中子衍射數(shù)據(jù)。D 階段1期間第1點的中子衍射數(shù)據(jù)顯示沉積期間出現(xiàn)FCC峰值，以及階段1完成后冷卻期間形成BCC。在 E 階段2 和 F 階段3制造期間的同一點，溫度沒有充分升高，將BCC轉(zhuǎn)換回FCC。G 構建幾何結構的示意圖顯示了中子數(shù)據(jù)收集相對于構建部分的位置；對于H階段2的第2點和I階段3的3點，觀察到與點1相似的趨勢，其中材料最初固化為FCC，并在冷卻開始后轉(zhuǎn)變?yōu)锽CC。所有衍射數(shù)據(jù)均以任意標準化強度單位顯示。

圖3. 殘余應力的演變?nèi)�決于多個構建部分沉積過程中的加熱、冷卻和再加熱。在初始沉積時，F(xiàn)CC到BCC形成過程中的膨脹會在沉積物中產(chǎn)生壓縮應變，并在基底中產(chǎn)生拉伸應變。在再加熱過程中，會形成FCC/BCC界面，在該界面處，冷卻時的差異CTE和FCC到BCC的轉(zhuǎn)變會產(chǎn)生局部壓縮/拉伸應變模式。此外，在界面下方重新加熱BCC會產(chǎn)生退火效應，從而軟化材料。

論文引用

Plotkowski, A., Saleeby, K., Fancher, C.M. et al. Operando neutron diffraction reveals mechanisms for controlled strain evolution in 3D printing. Nat Commun 14, 4950 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41467-023-40456-x