SLM制造不銹鋼時(shí)的強(qiáng)化和硬化機(jī)制：胞尺寸的作用

來(lái)源： 江蘇激光產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟

江蘇激光聯(lián)盟導(dǎo)讀：

上海交通大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)微觀機(jī)械的實(shí)驗(yàn)方法來(lái)研究增材制造不銹鋼時(shí)的變形行為,。包含不同位錯(cuò)的胞尺寸的微型支柱自塊體樣品中產(chǎn)生，并且進(jìn)行機(jī)械測(cè)試來(lái)直接評(píng)估在拉伸和塑性變形時(shí)的胞尺寸的依靠關(guān)系,。結(jié)果強(qiáng)調(diào)了位錯(cuò)密度的關(guān)鍵性在決定增材制造不銹鋼時(shí)的屈服強(qiáng)度,，挑戰(zhàn)了早期的觀點(diǎn)，早期觀點(diǎn)認(rèn)為強(qiáng)化的尺度在胞狀的尺寸,。然而,，位錯(cuò)孕育和這些微型支柱的硬化被發(fā)現(xiàn)同胞尺寸相關(guān)，含有小尺寸的胞的時(shí)候,，微型支柱要更容易發(fā)位錯(cuò)孕育,。



成果的Graphical abstract

經(jīng)過(guò)了幾十年的發(fā)展，增材制造（AM）技術(shù)由于其獨(dú)特的自由設(shè)計(jì)和快速制造的能力而成為一種非常重要的制造工藝,。對(duì)金屬的AM來(lái)說(shuō),，AM技術(shù)同傳統(tǒng)的制造工藝相比較，所具有的快速和一體化制造的特征尤其吸引人的注意和由此獲得了人們的廣泛關(guān)注,。金屬的AM制造，而且,，典型的呈現(xiàn)出的顯微組織同傳統(tǒng)制造工藝,，如鑄造和鍛造所得到的顯微組織明顯不同。例如,，對(duì)大多數(shù)廣泛應(yīng)用的金屬和合金,，如316L不銹鋼，在AM制造過(guò)程中所呈現(xiàn)出來(lái)的非平衡工藝和顯著的溶質(zhì)分凝,，有利于在不銹鋼中形成一個(gè)超細(xì)的胞狀位錯(cuò)結(jié)構(gòu),，這使得AM制造的316L不銹鋼具有獨(dú)特的強(qiáng)度和韌性的組合。




▲圖1.（a）腐蝕后的AM制造的316L不銹鋼的橫截面組織,。熔化的邊界采用白色的箭頭來(lái)表示,，區(qū)域（R-1到R-6）包含不同的晶粒尺寸，用于微型支柱的準(zhǔn)備,，并且采用黃色的點(diǎn)線進(jìn)行圈起來(lái),；（b-g）為SEM照片和統(tǒng)計(jì)計(jì)算出來(lái)的R1到R6區(qū)域的胞尺寸的分布（插入的圖片）。注意到R6區(qū)域的胞尺寸自延長(zhǎng)的胞結(jié)構(gòu)的間距來(lái)進(jìn)行估計(jì),，這通常認(rèn)為是長(zhǎng)度尺度的特征且具有胞邊界-位錯(cuò)相互作用,。

對(duì)AM制造316L不銹鋼的結(jié)構(gòu)-性能的基本理解對(duì)定制他們的機(jī)械性能和進(jìn)一步的指導(dǎo)其性能的發(fā)展是至關(guān)重要的。一個(gè)確定AM制造316L不銹鋼強(qiáng)度的關(guān)鍵的因數(shù)在于他們內(nèi)在的胞位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的自然屬性，這通常由元素的分離和析出所裝飾,。我們?cè)缙诘姆治稣J(rèn)為這些分離/析出的強(qiáng)化效應(yīng)是比較弱的,。然而，Hall-Petch類型的強(qiáng)化行為,，此時(shí)的拉伸強(qiáng)度同平均晶粒尺寸密切相關(guān),，通常認(rèn)為同AM制造AM316L不銹鋼的較高的拉伸強(qiáng)度相關(guān)。并且原位TEM實(shí)驗(yàn)則闡明了預(yù)先存在的位錯(cuò)胞具有阻礙位錯(cuò)移動(dòng)的能力,，從而導(dǎo)致較高的拉伸強(qiáng)度,。然而，考慮到在AM制造316L不銹鋼的時(shí)候位錯(cuò)胞并不是傳統(tǒng)的變形誘導(dǎo)的位錯(cuò)墻,，因?yàn)樗麄儞碛休^低的能量構(gòu)型,，在AM制造金屬時(shí)胞位錯(cuò)墻之間的簡(jiǎn)單的相似和傳統(tǒng)的晶界仍然需要去證實(shí)。事實(shí)上,，在最近的報(bào)道中,，AM制造316L不銹鋼的沉積態(tài)的強(qiáng)度的提高主要同這些位錯(cuò)胞中較高的位錯(cuò)密度相關(guān)，而不是胞的尺寸,。這一AM制造316L不銹鋼中相互矛盾的強(qiáng)化機(jī)制將會(huì)來(lái)自于他們內(nèi)在的顯微組織的各向異性,，其產(chǎn)生原因是在制造的過(guò)程中不同的熱機(jī)械歷史所造成的。因此,，特定胞結(jié)構(gòu)/構(gòu)型的對(duì)機(jī)械行為的作用應(yīng)該得到明確的揭示,，以期揭示出AM制造316L不銹鋼的變形機(jī)制。




▲圖2.（a）對(duì)選擇區(qū)域（R1-R6）進(jìn)行研磨后的微型支柱的SEM照片,，插入的照片顯示的是耦合的微型支柱在壓縮后的放大照片,。矩形的溝槽，其尺寸為30 μm × 10 μm × 5 μm (長(zhǎng) ×寬 ×深度 )在研磨后進(jìn)行另外一個(gè)支柱的研磨以確�,？梢郧逦�的觀察到在機(jī)械測(cè)試時(shí)的微型支柱,。傾斜的角度為 15° ；（b）相應(yīng)的EBSD的反極圖疊加的高角度（晶粒角度> 10°,，黑色的線）和低角度（晶粒的方位位錯(cuò)在2°−10°, 白色的線）的晶粒邊界,。箭頭5的橫穿顯示的為位置R-1的微型支柱的Schmid因子的位置

在這里，來(lái)自上海交通大學(xué)的研究人員提出了一個(gè)策略來(lái)允許進(jìn)行SLM技術(shù)制造的316L不銹鋼的機(jī)械性能的特定位置的研究,。通過(guò)原位微觀機(jī)械試驗(yàn),，研究人員可以直接評(píng)估變形過(guò)程的詳細(xì)信息以及AM制造的316L不銹鋼的單晶在微觀支柱所代表的胞尺寸時(shí)的機(jī)械行為。研究結(jié)果挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)觀點(diǎn)所認(rèn)為的AM制造的316L不銹鋼的拉伸強(qiáng)度主要同胞尺寸相關(guān)的觀點(diǎn),，同時(shí)揭示了AM制造的316L不銹鋼的高強(qiáng)度是由初始位錯(cuò)密度起作用的決定因數(shù),。此外，通過(guò)緊密的檢查在應(yīng)力-應(yīng)變曲線中所顯示的離散應(yīng)變,，研究人員發(fā)現(xiàn)AM制造316L不銹鋼微觀支柱的位錯(cuò)的孕育和應(yīng)變硬化過(guò)程,，微觀支柱中具有包含小的胞而容易發(fā)生位錯(cuò)孕育,。當(dāng)前的研究 將會(huì)進(jìn)一步的理解主導(dǎo)AM制造316L不銹鋼時(shí)的強(qiáng)化機(jī)制。



▲圖3.（a）包含不同胞尺寸的微觀支柱的應(yīng)力-應(yīng)變的代表,；（b）微觀支柱的胞尺寸同拉伸強(qiáng)度之間的關(guān)系,，展示出他們之間的弱相關(guān)性，（c）堅(jiān)定的剪切強(qiáng)度同不同的胞尺寸和最好的線性數(shù)據(jù)之間的關(guān)系,，為了比較,，對(duì)塊體的奧氏體316L不銹鋼的Hell-pitch擬合曲線也進(jìn)行了展示，（d）堅(jiān)定的剪切拉伸強(qiáng)度同位錯(cuò)胞體積分?jǐn)?shù) (Vf1/2)的平方根之間的關(guān)系曲線,。點(diǎn)線為最佳線性擬合數(shù)據(jù)

316L矩形板在氬氣環(huán)境中,，采用400W光纖激光器進(jìn)行了制造。初始的等離子體霧化316L不銹鋼粉末的顆粒尺寸范圍為20到80 μm,，均值為30μm,。研究人員實(shí)施了一系列的控制實(shí)驗(yàn)來(lái)優(yōu)化AM制造316L不銹鋼的工藝參數(shù)。圖1 顯示的為腐蝕后的SEM照片,，此時(shí)熔化的邊界和超細(xì)的胞結(jié)構(gòu)可以清楚的觀察到,。我們選擇代表性的區(qū)域（R1-R6），其胞尺寸的范圍為330nm到590nm,，如圖1b到1g所示,，來(lái)進(jìn)行隨后的微觀支柱的準(zhǔn)備。尤其是,，兩個(gè)微觀支柱的直徑和高度分別為 ～4.5 μm和 ～4.5 μm以及～9 μm,，這采用FIB技術(shù)來(lái)制備，見(jiàn)圖2a所示,。這些微觀支柱的圓錐角控制在 2° 范圍內(nèi)以實(shí)現(xiàn)減少不均勻的變形和在測(cè)量橫截面區(qū)域的時(shí)候的變化,。自區(qū)域1到6所制造的微觀支柱的實(shí)際尺寸，經(jīng)過(guò)測(cè)量分別為445 ± 36 nm, 430 ± 21 nm, 345 ± 36 nm, 463 ± 46 nm, 492 ± 42 nm 和 595 ± 75 nm,。研究人員采用EBSD來(lái)檢查每一個(gè)微觀支柱的晶粒方向，包括同一胞尺寸具有相似的晶粒方向,，見(jiàn)圖2b所示,。每一微觀支柱的Schmid 因數(shù)通過(guò)每5個(gè)隨機(jī)選擇的位置的平均值來(lái)表示，其間距為～ 1 μm ,，如圖2b所示,。注意到局部的誤導(dǎo)在每一個(gè)單獨(dú)的晶粒內(nèi)，由于快速凝固所造成的強(qiáng)烈的熱溫度梯度所誘導(dǎo)和層層堆積制造所造成的廣泛的熱機(jī)械循環(huán)所造成的,。微觀支柱的原位壓縮測(cè)試采用SEM進(jìn)行觀察,。壓縮實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行。



▲圖4.（a）位移的數(shù)值統(tǒng)計(jì)分布,，（b）離散應(yīng)變同堅(jiān)定的剪切流變應(yīng)力之間的關(guān)系

文章來(lái)源：Strengthening and hardening mechanisms of additively manufactured stainless steels: The role of cell sizes,，Scripta Materialia,，Volume 177, 1 March 2020, Pages 17-21，https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2019.10.005