增材制造（Additive Manufacturing， AM）因其在復(fù)雜幾何形狀設(shè)計和成本效益方面的顯著優(yōu)勢，逐漸成為研究和應(yīng)用的熱點。然而，與傳統(tǒng)制造方法相比，增材制造中多個工藝參數(shù)控制的高度瞬態(tài)和復(fù)雜的制造過程會導(dǎo)致形成的獨特微觀結(jié)構(gòu)和不可忽視的殘余應(yīng)力，這使得AM材料實現(xiàn)穩(wěn)定、一致和精細可控的機械性能頗具挑戰(zhàn)性。在晶粒尺度上，機械性能的不穩(wěn)定性表現(xiàn)為增材制造微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)的變形不均勻性，即應(yīng)變局部化現(xiàn)象，而這可能引發(fā)裂紋和失效，同時影響材料的強度和延展性。因此，研究增材制造材料的應(yīng)變局部化行為及其背后的機制具有重要意義。

新加坡國立大學機械系閆文韜課題組對激光粉末床熔融（L-PBF）技術(shù)制造的316L不銹鋼的應(yīng)變局部化行為進行了深入研究。研究團隊開發(fā)了一種能夠考慮殘余應(yīng)力影響的基于位錯的晶體塑性有限元模型，該模型能夠準確再現(xiàn)拉伸實驗中通過DIC觀察到的應(yīng)變分布。通過結(jié)合實驗和仿真數(shù)據(jù)對觀察區(qū)域內(nèi)的大量晶粒進行了統(tǒng)計分析，其中討論了滑移活動、位錯演化、加載方向和晶粒尺度殘余應(yīng)力等各種因素，進而可以闡明增材制造微觀結(jié)構(gòu)特征對應(yīng)變局部化的影響，這將為增材制造材料的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計提供見解。相關(guān)工作成果以Understanding the strain localization in additively manufactured materials: Micro-scale tensile tests and crystal plasticity modeling為題發(fā)表在《International Journal of Plasticity》上。

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https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2024.103981

本項工作中，研究者通過L-PBF構(gòu)造了如圖1所示具有顯著的柱狀晶-等軸晶分布特征但呈現(xiàn)不同分布形式的316L不銹鋼樣品，并通過在原位拉伸試驗中的DIC記錄了觀察區(qū)域在不同受力階段下的應(yīng)變分布情況。為了探究應(yīng)變局部化發(fā)生的機理，研究者開發(fā)了一個包含應(yīng)變梯度的基于幾何必要位錯（GND）密度的晶體塑性模型，該模型中耦合了通過EBSD數(shù)據(jù)中計算得到的Kröner–Nye張量估算的殘余變形梯度和初始GND密度，能夠考慮微結(jié)構(gòu)中的晶粒尺寸效應(yīng)和殘余應(yīng)力影響。通過對比相同受力階段下的應(yīng)變分布，如圖2所示，此模型能夠相對準確地反映AM微結(jié)構(gòu)在受力下的應(yīng)變的分布特征，說明當下的模型能夠很好地反映AM材料中的變形行為和應(yīng)變局部化現(xiàn)象的形成。

圖1. (a) 原位拉伸裝置 (b) 樣品觀察區(qū)域的SEM示意圖 (c) 樣品1及 (d) 樣品2的 EBSD結(jié)果。

圖2通過對比不同受力階段下DIC和晶體塑性仿真得到的應(yīng)變分布進行對模型的驗證。

圖3觀察區(qū)域內(nèi)晶粒的各個因素與應(yīng)變局部化之間關(guān)系的統(tǒng)計分析。

通過對大量晶粒的統(tǒng)計分析，如圖3所示，研究進一步揭示了增材制造材料中應(yīng)變局部化與滑移行為、晶粒間相互作用、位錯演化及殘余應(yīng)力之間的復(fù)雜關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變局部化不僅需要單個晶粒內(nèi)部的滑移系被局部的受力狀態(tài)良好激活，還受到晶粒間相互作用和滑移傳遞能力的顯著影響，相鄰的支持滑移傳遞的晶粒越多，越不易發(fā)生應(yīng)變集中，而AM材料的微結(jié)構(gòu)中的大尺寸晶粒在此方面更具優(yōu)勢。應(yīng)變局部化現(xiàn)象在具有高殘余應(yīng)力的小晶粒中尤為顯著，而在較大晶粒中表現(xiàn)相對較弱，這是因為殘余應(yīng)力在后續(xù)加載中對小晶粒的機械響應(yīng)影響更為顯著。

應(yīng)變的增長與位錯密度的演化也顯著相關(guān)，位錯密度的增加主要集中在晶界附近，尤其是在小晶粒和形狀變化顯著的區(qū)域。另外，通過對比兩個樣品可以發(fā)現(xiàn)，AM材料的微結(jié)構(gòu)中柱狀晶粒的特征使得應(yīng)變分布對加載方向高度敏感，導(dǎo)致了不同加載方向下明顯不同的應(yīng)變分布特征。從圖4中可以看出，在樣品2中受力與柱狀晶的長軸方向更為接近，產(chǎn)生的GND增長峰值區(qū)域與應(yīng)變的積累相關(guān)。而在樣品1中由于沿著受力路徑穿過晶粒距離更短，有更多晶界起到阻礙作用，使得位錯密度變化明顯具有更大的波動，影響了應(yīng)變局部化的分布特征。AM在微結(jié)構(gòu)設(shè)計的靈活性也使其具有通過設(shè)計柱狀晶排布特征來調(diào)節(jié)力學性能的潛力。

圖4. (a) 樣品1 和 (b) 樣品2 中沿著受力方向的路徑上幾何必要位錯密度的增長情況。

除了對增材制造的材料應(yīng)變局部化現(xiàn)象的預(yù)測之外, 本研究開發(fā)的模型也能夠用于解耦各個因素對機械行為的影響，并且可用于預(yù)測后續(xù)增材制造零件的損傷。這些發(fā)現(xiàn)不僅加深了對增材制造材料變形機制的理解，也為設(shè)計微觀結(jié)構(gòu)提供了思路，以有效促進均勻塑性流動并最大限度地減少應(yīng)變局部化。從材料設(shè)計的角度來看，增材制造在設(shè)計微觀結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)機械性能的方面具有巨大的潛力，能夠通過優(yōu)化工藝參數(shù)來調(diào)控微觀結(jié)構(gòu)的晶粒特征并降低殘余應(yīng)力，進而避免AM材料的提前損傷失效和提高材料機械性能。