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三校聯(lián)合頂刊丨選區(qū)激光熔化增材制造奧氏體不銹鋼的協(xié)同強(qiáng)化機(jī)制
來(lái)源: 時(shí)間:2023-12-19 16:36:20 瀏覽:1655次

金屬材料的增材制造(AM)在最近取得了令人矚目的發(fā)展,現(xiàn)在已部署在各種行業(yè)中。然而,其更廣泛應(yīng)用的許多科學(xué)、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)仍然存在。主要的科學(xué)挑戰(zhàn)之一是詳細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)-機(jī)械性能關(guān)系的發(fā)展,因?yàn)樵霾闹圃旌辖鹜ǔ1憩F(xiàn)出具有納米級(jí)到毫米級(jí)的復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu),例如具有元素偏析的凝固單元和沿其邊界的納米級(jí)沉淀,具有強(qiáng)烈紋理的細(xì)化晶粒和反映掃描間距、層厚度和掃描旋轉(zhuǎn)的細(xì)觀結(jié)構(gòu)。在這種情況下,主要通過(guò)選區(qū)激光熔化(SLM)制備的增材制造奧氏體不銹鋼尤其具有吸引力,因?yàn)樗鼈兊姆謱犹卣鞑粌H帶來(lái)了出色的強(qiáng)度-延展性組合,還帶來(lái)了其他有趣的性能,包括韌性和抗氫脆性。


韓國(guó)忠南國(guó)立大學(xué)、漢陽(yáng)大學(xué)和新加坡南洋理工大學(xué)的研究人員探索了通過(guò)劇烈塑性變形(Severe plastic deformation,SPD)途徑進(jìn)一步定制此類(lèi)復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)以提高機(jī)械性能的可能性。有報(bào)道稱,高壓扭轉(zhuǎn)(High-pressure torsion,HPT)工藝是一種具有代表性的SPD技術(shù),能夠?qū)е耂LM316L奧氏體不銹鋼的硬度顯著增加,其主要是由于晶粒細(xì)化。研究人員研究了HPT的SLM 304L鋼中不同的強(qiáng)化機(jī)制以及它們之間的相互作用。相關(guān)研究以“Nanomechanical and microstructural characterization on the synergetic strengthening in selectively laser melted austenitic stainless steel” 為標(biāo)題發(fā)表在《Scripta Materialia》期刊上。

實(shí)驗(yàn)方案

尺寸為60×30×9mm3的304L不銹鋼塊是使用商用SLM(通常也稱為激光粉末床熔合,L-PBF)機(jī)器(AconityMini,Aconity3DGmbH,德國(guó))制造的。在此過(guò)程中,層厚、激光功率、掃描間距和掃描速度分別設(shè)置為30μm、180W、80μm和700mm/s。每層掃描后掃描方向旋轉(zhuǎn)90°。建成的SLM樣品(表示為“SLM”樣品)從垂直于構(gòu)建方向的平面加工成圓盤(pán)(直徑10毫米,厚度約0.8毫米)。它們?cè)?.0GPa的壓力下以1rpm的速度進(jìn)行了0.25、0.5、1和2圈的HPT處理。此后,經(jīng)過(guò)HPT的SLM樣品將被稱為SLM+HPTN,其中N是HPT轉(zhuǎn)數(shù)。在980mN的峰值載荷(Pmax)下對(duì)每個(gè)圓盤(pán)進(jìn)行維氏硬度測(cè)量。

結(jié)果與討論

電子背散射衍射(EBSD)和電子通道襯度成像(ECCI)均用于表征SLM304L鋼在HPT過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)演變。SLM樣品的代表性微觀結(jié)構(gòu)以及SLM+HPT0.25和SLM+HPT2盤(pán)的邊緣如圖1所示。包含凝固的單相奧氏體微觀結(jié)構(gòu)(平均晶粒尺寸d,~22μm)在SLM樣品中可以看到每個(gè)顆粒內(nèi)部的細(xì)胞結(jié)構(gòu)(平均細(xì)胞大小為~350nm)(圖1a)。SLM+HPT0.25和SLM+HPT2樣品(分別為圖1b和1c)的取向和相圖是通過(guò)ASTAR-TEM技術(shù)獲得的,考慮到其中的極端晶粒細(xì)化。這些圖像中的關(guān)鍵特征是FCCγ-奧氏體在HPT期間相變?yōu)镠CPε-和BCCα'-馬氏體(直接γ→α'或γ→ε→α'順序)。這些相由從SLM+HPT2樣品獲得的TEM選區(qū)電子衍射圖證實(shí)(圖1d)。隨著N的增加(從0.25到2),ε和α'的分?jǐn)?shù)以γ為代價(jià)增加。方向和圖像質(zhì)量圖的疊加(圖1b和1c的左側(cè))顯示SLM+HPT0.25和SLM+HPT2的“整體”晶粒尺寸(通過(guò)假設(shè)單相)分別減小到~142和~62nm。HPT過(guò)程還導(dǎo)致γ的d從~22μm(SLM)顯著減少到~36nm(SLM+HPT2)。

圖1. HPT 處理過(guò)程中的顯微結(jié)構(gòu)演變:(a) SLM(也顯示 ECCI 圖像)、(b) SLM+HPT0.25 和 (c) SLM+HPT2 樣品的 EBSD 取向和相圖。(d) 顯示了 SLM+HPT 樣品中組成相的 TEM 選擇區(qū)域衍射圖案的代表性示例(對(duì)于 SLM+HPT2)。請(qǐng)注意,EBSD 圖像是在垂直于建筑物方向的平面上拍攝的。


圖2a顯示了作為εeq函數(shù)的維氏硬度的演變,其中在εeq=0時(shí)還包括SLM樣品的硬度。僅在HPT(N=0.25)四分之一圈后硬度顯著提高,最終在大約對(duì)應(yīng)于SLM+HPT1磁盤(pán)邊緣部分的~20εeq處飽和,可以看出。圖2b總結(jié)了使用Berkovich尖端進(jìn)行的納米壓痕實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。它們的值證實(shí)了與維氏硬度相同的趨勢(shì)。圖2b的插圖顯示了hf/hmax(其中hf是卸載后的最終壓痕位移,hmax是Pmax時(shí)的最大位移)隨N的變化。請(qǐng)注意,hf/hmax是塑料相對(duì)部分的量度壓痕過(guò)程中發(fā)生的總彈塑性變形的變形。因此,壓痕試驗(yàn)中的硬度與hf/hmax的關(guān)系可被視為單軸拉伸試驗(yàn)中強(qiáng)度與延展性關(guān)系的代表。在圖2b中,很明顯,盡管由于HPT過(guò)程導(dǎo)致hf/hmax降低,但其SLM+HPT樣品的值仍然相當(dāng)高(~0.7),這意味著觀察到的硬化不是以犧牲顯著的延展性損失。γ的d從~22μm(SLM)減少到~36nm(SLM+HPT2)。

圖2. (a) 維氏硬度隨外加等效應(yīng)變的變化(請(qǐng)注意,x 軸采用對(duì)數(shù)刻度)插圖顯示縮進(jìn)位置。(b) 納米壓痕硬度和壓痕塑性隨圈數(shù)的變化。


圖3顯示了壓痕的代表性SEM和放大的ECCI圖像。為了放大壓痕引起的塑性變化,還使用了更鋒利的立方角壓頭,因?yàn)樗梢栽趬侯^下方產(chǎn)生非常高的應(yīng)力和應(yīng)變。在SLM樣品上的硬度印記周?chē)^察到大量滑動(dòng)臺(tái)階(圖3a)。他們描述了通過(guò)平面滑移變形的FCC合金。從ECCI圖像中也可以明顯看出印模周?chē)嬖诟呙芏鹊亩讯鈱渝e(cuò)。這表明部分位錯(cuò)的滑移,即連續(xù)的平面滑移,是主要的變形機(jī)制。SLM+HPT0.25和SLM+HPT2樣本(圖3b和3c)中的滑動(dòng)平面度不太明顯,剪切偏移主導(dǎo)了壓痕周?chē)淖冃涡螒B(tài)。這種偏移通常被認(rèn)為是剪切帶的痕跡。它們的放大ECCI圖像顯示,隨著N的增加,位錯(cuò)活動(dòng)逐漸減少,因?yàn)閹捉M滑移步驟在SLM+HPT0.25中仍然很明顯,但在SLM+HPT2中則不明顯。

圖3. Berkovich(左)和立方體角壓痕(中)產(chǎn)生的硬度壓痕的代表性 SEM 圖像,以及立方體角壓痕周?chē)鷺?biāo)記區(qū)域的放大 ECCI 圖像(右);(a) SLM、(b) SLM+HPT0.25 和 (c) SLM+HPT2 樣本。ECCI 圖像中的藍(lán)色虛線表示硬度印象的邊界。


總之,通過(guò)位錯(cuò)增殖、晶粒細(xì)化和馬氏體轉(zhuǎn)變之間的協(xié)同作用,實(shí)現(xiàn)了SLM304L鋼顯著的HPT誘導(dǎo)強(qiáng)化。GB介導(dǎo)的塑性變得主要,因此馬氏體誘導(dǎo)的強(qiáng)化在NC體系中變得可以忽略不計(jì),這表明存在一定的HPT應(yīng)變水平,協(xié)同效應(yīng)可以最大化。對(duì)于目前的鋼材,εeq~4.9。這為我們提供了一個(gè)方向,可以調(diào)整SLM鋼的微觀結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度,而不會(huì)促進(jìn)GB介導(dǎo)的可引入局部變形和/或蠕變變形的塑性。

論文鏈接:

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114359

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文字是人類(lèi)用符號(hào)記錄表達(dá)信息以傳之久遠(yuǎn)的方式和工具?,F(xiàn)代文字大多是記錄語(yǔ)言的工具。人類(lèi)往往先有口頭的語(yǔ)言后產(chǎn)生書(shū)面文字,很多小語(yǔ)種,有語(yǔ)言但沒(méi)有文字。文字的不同體現(xiàn)了國(guó)家和民族的書(shū)面表達(dá)的方式和思維不同。文字使人類(lèi)進(jìn)入有歷史記錄的文明社會(huì)。
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