【引 言】

    在材料制備中，材料的強度和韌度有時是兩者不可兼得的性能，為了得到較好的材料硬度，人們可能不得不以犧牲材料韌度為代價。然而，有需求的存在，魚與熊掌兩者兼得就是一個繞不開的課題。 以激光束、電子束、等離子或離子束為熱源，加熱材料使之結合并直接制造零件的方法，稱為高能束流快速制造，這是工業領域最為常見的增材制造方法。

    【成果簡介】

    近日，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的Yinmin （Morris） Wang（通訊作者）在Nature Materials.上發表了題為“Additively manufactured hierarchical stainless steels with high strength and ductility”的文章。文中描述，通過激光粉末基體融合技術制造出的奧氏體316L不銹鋼（L-PBF 316L），其屈服強度與拉伸延展性的性能組合超越傳統316L鋼的相應性能組合。

    【圖文導讀】

    圖1.通過 L-PBF制造的316L不銹鋼（SS）的典型微觀結構

    （1）圖a是L-PBF 316L SS中發現的各種長度尺寸的圖示。

    （2）圖b是L-PBF 316L SS試樣的橫截面電子背散射衍射（EBSD）反極圖（IPF），其顯示了試樣的晶粒取向。反極圖以2-μm的步長，從水平方向構建獲得。

    （3）圖c是橫截面掃描電鏡（SEM）圖像，顯示了融合邊界、大角度晶界（HAGBs）和胞狀結構。放大圖顯示的是胞狀結構。圖像經垂直方向構建獲得。

    （4）圖d是胞狀結構的明場透射電鏡圖

    （5）圖e是圖d所示胞狀結構單元的大角度環形暗場掃描透射電鏡（HAADF-STEM）圖。胞狀結構壁中的物質是在L-PBF處理過程中形成的富含過渡金屬的硅酸鹽。

    （6）圖f是以1-μm步長獲得的EBSD反極圖

    （7）圖g是大角度晶界（HAGB）與小角度晶界（LAGB）的EBSD特性（IQ）圖疊加。如圖例所示，HAGB（> 10°）呈藍色，LAGB（2°-10°）呈紅色。HAGB約占59%，LAGB約41％。

    （8）圖h是核平均取向誤差（KAM）圖，用于說明單個晶粒上的局部取向誤差。很明顯，所有晶粒都有0.5~1度的局部位錯。

    （9）圖i中第1幅是Mo、 Cr向胞狀結構壁和小角度晶界偏析的大角度環形暗場掃描電鏡圖像，第2~5幅圖是確認該偏析中相應的Fe，Mo和Cr的 EDS圖。 EDS圖也驗證了這一點顆粒富含Si，O。

    圖2. L-PBF 316L不銹鋼的拉伸性能

    （1） 圖a是兩種L-PBF 316L SS與鑄態、鍛造材料相比的典型拉伸工程應力應變曲線，紅色是理想試樣，藍色是Fraunhofer試樣。屈服強度（YS）、均勻延伸率（UE）及極限抗拉強度（UTS）在圖中均有標示。

    （2）圖b是屈服應力對不同316L SS的均勻延伸的概要，包括實驗中的高性能材料（通過納米線束和雙峰晶粒材料加固），常規粗晶材料（退火微觀結構），通過傳統塑性變形增大強度的材料。在3D打印鋼（實驗鋼）中發現了強度和韌性具有最佳組合，其性能優于傳統鋼，甚至超過普通高性能的316L SS。

    圖3. L-PBF 316L SS拉伸變形過程中的同步輻射X射線衍射測量（SXRD）

    （1） 圖a是原位SXRD實驗的真實應力應變曲線，包含兩卸載，兩重新加載。標稱應變率為2.0×10-4 s-1 。

    （2） 圖b是在初始變形過程中沿加載方向（LD），四個hkl指數（200,220,311,222）的彈性晶格應變（實線）。

    （3） 圖c在第二次重新加載中的彈性晶格應變表現。在施加約650MPa應力的情況下呈現出更多的線性彈性行為，隨后觀察到明顯的線性偏差。

    （4） 圖d是變形過程中222面反射的紋理變化，呈現出衍射強度是平面方位角和測試時間的函數。卸載和重新加載標記為綠色。在b中觀察到的殘余應變的重新分布在早期測試時引起晶粒的旋轉，222結構沿著加載方向顯著累積，這和由位錯滑移引起的晶粒旋轉現象一致。此外，70°的晶粒取向與形變孿晶的出現相符，這樣的晶粒取向在圖中已用白色箭頭標出。

    （5） 圖e是圖d中與70°晶粒取向有關的兩個平面方位角的散射強度圖。散射強度的改變對應開始于約800s的雙誘導晶粒取向。

    圖4. L-PBF 316L SS 經不同程度拉伸后的結構形變

    （1） 圖a是胞狀結構形變后的HAADF-STEM圖。結構的形態和尺寸略有改變。

    （2） 圖b顯示，形變孿晶似乎是從大角度晶界形核，然后穿過胞狀結構壁向小角度晶界移動。

    （3） 圖c是圖b的放大，表明，形變孿晶的間距通常大于1μm

    （4） 圖d是3%應變后的胞狀結構區域的反極圖，以及相關的特性（IQ）圖、形核平均取向差（KAM）。這些數據是在透射電子顯微鏡（TEM）上基于自動化晶體取向繪圖（ACOM），利用運動電子偏轉（PED）獲得，光束尺寸為10nm，步長為10nm。

    （5） 圖e是經過約3%拉應變后，并排的胞狀結構相對于原點及以點到點方式測量的取向差角度變化圖，結構組織以白線標注。

    （6） 圖f、g顯示的是在約12%拉伸應變下的變形微觀結構。圖f是形變孿晶和胞狀結構壁交匯的HAADF-STEM圖，此應力下，胞狀體被輕微拉長。圖g是表明孿晶交匯（圖中set1和set2）的明場TEM圖，箭頭指示孿晶與大角度晶界相交，這被認為是孿晶形核于大角度晶界或終止于大角度晶界。

    【小 結】

    研究中，實驗人員發現：通過增材制造技術獲得的奧氏體316L不銹鋼具備優異的強度的同時還擁有較好的拉伸性能。經分析，L-PBF 316L的高強度歸因于形成的胞狀結構、小角度晶界以及在制造過程中形成的位錯，其高延伸率與穩定漸進的加工硬化機制有關，該機制受到分級的不均勻微觀結構控制，結構的尺度跨越近六個數量級。此外，研究人員還發現，沿著胞狀結構壁和小角度晶界的溶質偏析可以促進位錯釘扎并促進孿生，采用增材制造的方法可以獲得獨特的微觀組織結構，這些結構能帶來較好的性能組合。

    文獻鏈接：Additively manufactured hierarchical stainless steels with high strength and ductility  （Nature Materials. , 30 October 2017; Doi:10.1038/ nmat5021）

更多關于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國內外最新動態，我們網站會不斷更新。希望大家一直關注中國腐蝕與防護網http://www.ecorr.org

責任編輯：王元

《中國腐蝕與防護網電子期刊》征訂啟事

投稿聯系：編輯部

電話：010-62313558-806

郵箱：fsfhzy666@163.com

中國腐蝕與防護網官方 QQ群：140808414