▲圖1 (a)拉伸和蠕變?cè)嚇拥闹苽涫疽鈭D (b-c)分別為拉伸和蠕變?cè)嚇拥某叽?/div>
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▲圖2 AM 和Re 316L的單軸蠕變性能匯總:最小蠕變速率(左)、蠕變壽命(中)和蠕變斷裂應(yīng)變(右)
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▲圖3 AM和Re 316L的蠕變性能與同牌號(hào)316L對(duì)比
(2)為了揭示AM 316L和Re 316L的蠕變變形過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)變化,采用透射電鏡表征了蠕變?cè)囼?yàn)后的微觀結(jié)構(gòu)(圖4)?梢杂^察到,在經(jīng)過(guò)1936 h的蠕變實(shí)驗(yàn)之后,Re 316L的晶內(nèi)發(fā)現(xiàn)了大量攀移位錯(cuò);而AM 316L中穩(wěn)定的位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)與蠕變變形產(chǎn)生的位錯(cuò)纏繞形成更加復(fù)雜的位錯(cuò)組態(tài),這些位錯(cuò)結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步阻礙蠕變位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),從而限制了晶內(nèi)變形,并導(dǎo)致了較低的蠕變速率。AM 316L中各向異性的蠕變速率可能是由柱狀晶和位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的取向差異引起,水平試樣中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到晶界以及位錯(cuò)胞壁的阻礙作用更頻繁、運(yùn)動(dòng)自由程更短,蠕變速率更小。
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▲圖4 Re 316L(a,b)和AM 316L(c,d)在235MPa蠕變?cè)囼?yàn)之后的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)
(3)圖5展示了AM 316L斷裂樣品斷口附近的縱剖面形貌?梢杂^察到,裂紋和孔洞在晶界附近的薄層析出相附近萌生、聚合并擴(kuò)展,最終導(dǎo)致沿晶斷裂。隨著蠕變過(guò)程的進(jìn)行,這些薄層硬質(zhì)沉淀相的析出可能會(huì)加劇晶界附近的局部應(yīng)力集中,促進(jìn)蠕變孔洞的形核,并降低晶界滑動(dòng)能力,從而降低材料的蠕變延性。因此,本研究進(jìn)一步分析了AM 316L中的析出相。圖6展示了隨著蠕變時(shí)間的延長(zhǎng),AM 316L的高角度晶界上逐漸形成了富含鉬(Mo)的析出相薄層,其富集程度隨著蠕變時(shí)間的增加而增加。根據(jù)析出相的成分推測(cè),該相為脆性萊氏相。然而,在Re 316L中并未觀察到這種類型的析出相,證明初始組織差異導(dǎo)致了AM 316L和Re 316L不同的相析出行為。此外,AM 316L中沿打印方向生長(zhǎng)的長(zhǎng)直柱狀晶在受到水平加載時(shí),更高比例的晶界暴露在正應(yīng)力下,更有利于蠕變裂紋的擴(kuò)展,從而導(dǎo)致水平樣品較豎直樣品更有限的蠕變延性。
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▲圖5 AM 316L蠕變斷口附近的縱剖面形貌
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▲圖6 AM和Re 316L在不同老化時(shí)間作用后高角度晶界的元素分布變化以及析出相分布:(a-c)AM 316L(d)Re 316L(e-g)AM 316L晶界元素線掃結(jié)果
該研究證明AM 316L穩(wěn)定的位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)可以有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),顯著降低蠕變變形速率,延緩裂紋萌生時(shí)間,從而大幅提高材料的蠕變壽命。AM 316L的打印組織可能導(dǎo)致蠕變各向異性和長(zhǎng)時(shí)蠕變后蠕變延性的下降,需引起關(guān)注。
引文格式:GB/T 7714
Pan Y, Hu H, Wang K, et al. Creep Behavior and Fracture Mechanism of an Additively Manufactured 316L Stainless Steel with Extraordinary Creep Resistance[J]. Mechanics of Materials, 2024: 105053.
MLA
Pan, Yujie, et al. "Creep Behavior and Fracture Mechanism of an Additively Manufactured 316L Stainless Steel with Extraordinary Creep Resistance." Mechanics of Materials (2024): 105053.
APA
Pan, Y., Hu, H., Wang, K., Dong, N., Qiu, R., Wen, J. F., Song, M., & Tu, S. T. (2024). Creep Behavior and Fracture Mechanism of an Additively Manufactured 316L Stainless Steel with Extraordinary Creep Resistance. Mechanics of Materials, 105053.
該項(xiàng)目獲國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)公司領(lǐng)創(chuàng)項(xiàng)目等資助。本文第一作者:潘宇杰(華東理工大學(xué));通訊作者:溫建鋒(華東理工大學(xué))、宋淼(上海交通大學(xué))。