導(dǎo)讀: 退火軟化是傳統(tǒng)粗粒材料中常見(jiàn)的現(xiàn)象。本文研究了選擇性激光熔化316L不銹鋼(SLM-ed 316L SS)的退火誘導(dǎo)硬化機(jī)制。SLM-ed 316L SS，沒(méi)有先前的冷加工歷史，表現(xiàn)出明顯的硬化行為，退火溫度從400?C增加到500?C。這種現(xiàn)象主要是由于獨(dú)特的護(hù)欄狀位錯(cuò)壁由納米顆粒(O、Cr、Mo和Si)和高比例的LAGBs組合而成，阻礙了位錯(cuò)的移動(dòng)并導(dǎo)致其積累。此外，這種結(jié)構(gòu)和柱狀晶體的穩(wěn)定配置可以協(xié)同影響500?C退火樣品，導(dǎo)致628 MPa的高屈服應(yīng)力。另一方面，復(fù)雜的變形子結(jié)構(gòu)，如層錯(cuò)、lomo - cottrell鎖和森林位錯(cuò)，也在變形過(guò)程中增殖。這些子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了多尺度塑性應(yīng)變分配，強(qiáng)化了應(yīng)變硬化，實(shí)現(xiàn)了屈服/極限抗拉強(qiáng)度為628 MPa/789 MPa，抗拉延性為32%的強(qiáng)度-延性組合。基于本研究的強(qiáng)化機(jī)制模型，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是主要的變形機(jī)制。

奧氏體316l不銹鋼(SS)因其優(yōu)異的力學(xué)性能、耐腐蝕性和生物相容性被廣泛應(yīng)用于核電站、石油鉆井平臺(tái)和醫(yī)療植入物。這些復(fù)雜精密的鋼構(gòu)件的傳統(tǒng)生產(chǎn)和制造方法成本高，耗時(shí)長(zhǎng)。增材制造(AM)作為一種顛覆性技術(shù)出現(xiàn)，提供快速生產(chǎn)能力和廣泛的設(shè)計(jì)自由。選擇性激光熔化(SLM)是一種極具發(fā)展前景和經(jīng)濟(jì)效益的增材制造技術(shù)精確構(gòu)建復(fù)雜部件的技術(shù)。通過(guò)選擇性激光熔化制造的316 L不銹鋼與傳統(tǒng)成型的不銹鋼相比，具有卓越的強(qiáng)度和延展性，這是由于其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)，如細(xì)小的位錯(cuò)細(xì)胞，高位錯(cuò)密度和沉淀。由于不同相之間彈性模量和晶格參數(shù)不匹配導(dǎo)致的界面強(qiáng)化效應(yīng)，材料表現(xiàn)出高強(qiáng)度。高延展性歸因于較大的滑移傳遞幾何因子，這有利于位錯(cuò)在界面上的傳遞。然而，SLM也引入了高殘余應(yīng)力和非平衡微結(jié)構(gòu)，可能會(huì)損害材料的性能。這些都是推進(jìn)AM技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題。

近年來(lái)，在研究熱處理對(duì)增材制造不銹鋼(AM - SS)顯微組織和力學(xué)性能的影響方面取得了重大進(jìn)展。控制SLM金屬和合金的加熱和冷卻的熱處理可以通過(guò)位錯(cuò)遷移、納米沉淀、復(fù)雜的細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)和亞晶粒來(lái)抵消這些問(wèn)題。鍛造或冷軋的傳統(tǒng)熱處理方法可能不適合主要表現(xiàn)出許多位錯(cuò)細(xì)胞的SLM合金，盡管可以增強(qiáng)其性能。AM SS的強(qiáng)度主要由三個(gè)因素決定:位錯(cuò)、晶界(GB)和位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)。這些因素都受到細(xì)胞壁內(nèi)高密度纏結(jié)位錯(cuò)的影響，它們往往會(huì)解離并形成更寬的層錯(cuò)(SFs)。影響面心立方結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能的另一個(gè)重要因素是原子尺度上的組分變化。例如，以Cr/Mo偏析和捕獲位錯(cuò)為特征的細(xì)胞亞結(jié)構(gòu)可以提高材料的屈服強(qiáng)度。這種偏析還會(huì)產(chǎn)生局部應(yīng)力場(chǎng)，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)并改變局部層錯(cuò)能(SFE)，從而通過(guò)斷裂和位錯(cuò)單元細(xì)化影響變形機(jī)制。此外，SLM-ed 316 L SS中奧氏體相的熱穩(wěn)定性與其凝固胞狀組織密切相關(guān)。位錯(cuò)胞穩(wěn)定性從500?C變化到800?C，導(dǎo)致不同的力學(xué)性能和相組成。

退火通常會(huì)導(dǎo)致金屬和合金由于晶粒生長(zhǎng)和位錯(cuò)密度的降低而軟化。晶粒尺寸是多晶材料強(qiáng)化的關(guān)鍵因素。這受到諸如GB遷移/擴(kuò)散、原子變換和晶粒旋轉(zhuǎn)/聚結(jié)等現(xiàn)象的影響。此外，SLM合金中預(yù)先存在的缺陷，包括溶質(zhì)偏析、位錯(cuò)和細(xì)胞亞結(jié)構(gòu)，會(huì)影響GB行為、強(qiáng)度和延展性。與傳統(tǒng)的退火軟化效果不同，一些金屬和合金在退火后硬化，這發(fā)生在特定條件下，如亞微米或納米尺度、滑動(dòng)摩擦處理、冷軋和等通道角壓，然后退火。

在本研究中，中山大學(xué)呂金龍團(tuán)隊(duì)研究了研究SLM-ed 316lss在熱處理后的硬化和變形機(jī)制。本研究了位錯(cuò)、gb和其他組織對(duì)SLM-ed 316l SS退火后硬度和強(qiáng)度的影響，并用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)了這些發(fā)現(xiàn)。采用掃描電子顯微鏡(SEM)、能量色散x射線(xiàn)光譜(EDS)、電子背散射衍射(EBSD)、掃描透射電子顯微鏡(STEM)、微壓痕和拉伸測(cè)試等多種技術(shù)對(duì)SLM-ed 316L SS和熱處理樣品進(jìn)行了表征和測(cè)試。最后，本研究闡明了SLM-ed 316L不銹鋼退火引起的硬化和變形機(jī)制。

相關(guān)研究成果以“New insights into annealing induced hardening and deformation mechanisms in a selective laser melting austenitic stainless steel 316L”發(fā)表在International Journal of Plasticity上

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0749641924001359?via%3Dihub

圖1 (a) SLM制造的316l SS示意圖 (b)印刷戰(zhàn)略示意圖

圖2 (a) SLM處理316 L SS樣品的OM圖 (b)拉伸試驗(yàn)所用試樣的尺寸

圖9 (a)不同退火溫度和退火時(shí)間下，SLM-ed 316l SS和樣品的二維顯微硬度分布圖

圖11 316lss及退火試樣的拉伸性能和顯微硬度 (a)印制316lss材料在不同溫度下分別退火8h后的工程塑性應(yīng)變-總伸長(zhǎng)曲線(xiàn) (b)科技增加值及科技增加值統(tǒng)計(jì)數(shù)字的變化 (c) YS0.2和HV3隨退火溫度的統(tǒng)計(jì) (d)各種316 L SS的平均屈服應(yīng)力值與平均均勻延伸值的總結(jié)

圖14 在強(qiáng)度模型的基礎(chǔ)上，計(jì)算了不同強(qiáng)度因子的貢獻(xiàn)率

圖18 (a-b)打印后316 L SS (C - d) 500?C退火試樣在不同應(yīng)變水平下的變形組織演變示意圖

綜上所述，研究了退火對(duì)選擇性激光熔化316l不銹鋼(SLM-ed 316l SS)硬化行為和變形機(jī)理的影響。主要研究結(jié)果如下:SLM-ed 316l SS在相對(duì)較低的退火溫度(500℃)下表現(xiàn)出異常硬化，沒(méi)有事先冷軋或嚴(yán)重的塑性變形。這種現(xiàn)象應(yīng)該是由于兩個(gè)主要因素。首先，由納米粒子裝飾的獨(dú)特的護(hù)欄狀位錯(cuò)壁明顯阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。這導(dǎo)致位錯(cuò)的積累和重排，形成新的低角度晶界(LAGBs)。此外，該結(jié)構(gòu)與LAGBs之間的相互作用可以協(xié)同提高材料的強(qiáng)度。退火后的316lss的平均幾何必要位錯(cuò)(GNDave)密度增加，但總的位錯(cuò)密度沒(méi)有顯著變化。因此，我們有理由認(rèn)為，納米顆粒修飾的“護(hù)欄狀位錯(cuò)壁”在500?C退火后的異常硬化中起著至關(guān)重要的作用。結(jié)果表明:500?C退火試樣的高屈服應(yīng)力受納米顆粒鎖住的護(hù)欄狀位錯(cuò)壁和柱狀晶體穩(wěn)定構(gòu)型的協(xié)同作用影響。此外，這種位錯(cuò)壁結(jié)構(gòu)可以觸發(fā)混合強(qiáng)化機(jī)制，導(dǎo)致變形過(guò)程中跨尺度亞結(jié)構(gòu)的形成和塑性應(yīng)變分配，從而導(dǎo)致應(yīng)變硬化。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)主要支配退火試樣的變形過(guò)程。此外，900?C退火樣品克服了強(qiáng)度-延性權(quán)衡，這可能是由于變形過(guò)程中的高GNDave密度和部分LAGBs。