一種具有優(yōu)異蠕變性能的增材制造316L不銹鋼的蠕變行為及其斷裂機(jī)理

來(lái)源：結(jié)構(gòu)完整性聯(lián)盟
作者：潘宇杰

業(yè)界對(duì)不銹鋼的關(guān)注通常跟汽車制造領(lǐng)域相關(guān)聯(lián),，不過(guò)航空航天、能源等領(lǐng)域?qū)Σ讳P鋼材料的采用正在呈多樣化需求發(fā)展趨勢(shì),。一個(gè)典型的案例是SpaceX的一大努力是將材料經(jīng)可能多的用不銹鋼來(lái)替代，最初能避免被替換掉的是那些暴露在高溫富氧氣體燃燒環(huán)境中的零件，但最終Elon Musk成功地將大部分零件材料都換成了不銹鋼,。在SpaceX建造全尺寸星艦（Starship）之際，Elon Musk表示，由于使用了鋼材,，因此一枚火箭的材料花費(fèi)不需要4-5億美元,，僅需1000萬(wàn)美元，并且它將是可重復(fù)使用的飛船 ,。鋼不僅僅低成本,，一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是其熔點(diǎn)高，其中鉻鎳含量高的不銹鋼即使在-160°C 的溫度下也能保持足夠的延展性和強(qiáng)度,。

不僅僅是航空航天,，根據(jù)《中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院：核電用316L不銹鋼粉末增材制造研究現(xiàn)狀》，鋼在核電領(lǐng)域的應(yīng)用也頗具潛力,，增材制造316L不銹鋼的組織與性能存在各向異性,，但各向異性可通過(guò)增材制造的后處理技術(shù)消除。目前增材制造最為常用的后處理技術(shù)為熱處理,。與鍛造316L不銹鋼相比,，經(jīng)熱等靜壓處理的增材制造316L不銹鋼的力學(xué)性能與輻照性能更優(yōu)。目前,，核用不銹鋼的增材制造技術(shù)還處于起始階段,，后續(xù)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注增材制造的成形機(jī)理及成形材料中子輻照性能等內(nèi)容。

研究背景
近年來(lái),，核能等領(lǐng)域正在積極探索增材制造技術(shù)應(yīng)用的可能性,。增材制造（AM）316L不銹鋼具有較高的技術(shù)成熟度和優(yōu)異的常溫和高溫力學(xué)性能，被認(rèn)為是最有可能率先通過(guò)核安全審核,、實(shí)現(xiàn)核用的增材制造材料,。AM 316L的成型過(guò)程使其微觀組織顯著不同于傳統(tǒng)工藝制備的材料，打印組織如柱狀晶,、位錯(cuò)胞,、元素偏析和納米顆粒氧化物等都可能影響材料的力學(xué)性能。蠕變作為材料在高溫承載工況下最基本的變形模式,，獲取AM 316L的基礎(chǔ)蠕變數(shù)據(jù)并理解打印微觀組織與蠕變性能之間的構(gòu)效關(guān)系,，是保證該類材料在高溫蠕變工況下安全使用的前提。針對(duì)當(dāng)前AM 316L長(zhǎng)時(shí)間蠕變數(shù)據(jù)缺失和變形機(jī)理研究不足的現(xiàn)狀,，該研究在600 ℃和名義應(yīng)力235-360 MPa條件下,，開(kāi)展了激光粉末床熔融制備的316L原始材料（注：AM 316L）及其同成分完全再結(jié)晶態(tài)材料（注：Re 316L）的蠕變?cè)囼?yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,，發(fā)現(xiàn)該AM 316L具有超過(guò)傳統(tǒng)316材料的優(yōu)異蠕變性能,，隨后分析了背后的變形和斷裂機(jī)理。

研究成果

（1）圖1展示了本文所使用的拉伸和蠕變?cè)嚇拥娜�樣示意圖,，其中,，垂直（Vertical）試樣代表加載應(yīng)力平行于打印方向,，水平（Horizontal）試樣代表加載應(yīng)力垂直于打印方向。圖2總結(jié)了AM 316L和Re 316L在600 ℃不同加載應(yīng)力下的蠕變性能,�,？梢杂^察到，在所有加載應(yīng)力條件下,，AM 316L都展現(xiàn)了較Re 316L材料更為優(yōu)異的蠕變抗性,，即顯著降低的最小蠕變速率和更長(zhǎng)的蠕變壽命。例如,，在300 MPa的應(yīng)力條件下,，AM 316L的最小蠕變速率比Re 316L降低了近3個(gè)數(shù)量級(jí)，蠕變壽命是Re 316L的50倍以上,。但與此同時(shí),，AM 316L表現(xiàn)出蠕變各向異性以及在長(zhǎng)時(shí)蠕變條件下有限的蠕變延性,。作者將文中得到的蠕變性能與文獻(xiàn)中記載的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比（圖3）,，發(fā)現(xiàn)Re 316L的蠕變性能落在傳統(tǒng)316L的范圍內(nèi)，而AM 316L的蠕變性能明顯優(yōu)于同牌號(hào)316L,。

▲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>

▲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）

▲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,。

▲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,。

▲圖5 AM 316L蠕變斷口附近的縱剖面形貌

▲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)）。