金属所等《Scripta Mater》：增材制造316L不锈钢的循环响应！

来源：材料科学与工程

由于具有自由成型和制造过程快速的优点，增材制造（AM）展现出了巨大的科学价值。在众多AM合金中，316L不锈钢（316LSS）因其应用范围广和力学性能突出而受到广泛关注。其优异的拉伸强度主要得益于胞结构对位错运动的强烈阻碍以及Hall-Petch强化作用，而较大的延伸率与位错和胞结构相互作用产生持续稳定的加工硬化作用有关。因此，胞结构对于获得优异的拉伸性能具有至关重要的作用。

迄今为止，大量研究主要报道的是AM合金的单调变形行为。然而，工程材料在服役时通常受循环载荷作用而不是单调载荷，且目前关于疲劳性能的数据十分有限。研究胞结构对AM合金疲劳行为的影响，尤其是基于位错理论分析变形机制尚处在研究前沿。

近日，来自瑞典林雪平大学和中科院沈阳金属所等单位的研究人员通过开展室温高周疲劳试验，对比分析了含/不含胞结构AM 316LSS样品的疲劳性能和位错组织等，揭示了胞结构在循环变形中的作用。相关论文以题为“Cyclic response of additive manufactured 316L stainless steel: Therole of cell structures”发表在Scripta Materialia上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114190

本文中，作者通过退火热处理（900 ℃/1050 ℃，10 min）获得了胞结构体积分数不同的两种样品，其中1050 ℃退火样品为不含胞结构样品，而未退火样品具有完整的胞结构。对上述三类样品进行室温高周疲劳试验发现，与不含胞结构的样品相比，完整胞结构样品的疲劳过程仅包含稳态和过载阶段而无最初的软化阶段，且该样品具有更高的强度、更低的循环软化速率以及更长的寿命，如图1所示。

图1. （a-c）未退火和900 ℃/1050 ℃退火样品的总应变范围-循环次数关系；（d）总应变范围-归一化循环次数（N/Nf）关系；（e）图1（d）中归一化循环次数在0.2以内的曲线放大图；（f）未退火和1050℃退火样品达92%疲劳寿命时的滞后回线；（g）总应力范围-失效循环次数关系。

借助扫描电子显微镜（SEM）和背散射电子衍射（EBSD）发现，含/不含胞结构的样品变形前后晶粒取向、大小和形状变化不大，如图2所示。然而，通过透射电子显微镜（TEM）分析发现，这两类样品变形后的主要位错组织有所区别。如图3和图4所示，完全胞状样品变形后观察到了平面位错组织，如滑移带（SB）、堆垛层错（SFs）和变形孪晶（DTs），而在不含胞结构的样品中出现了条纹状和（或）胞状位错亚结构。

图2. 未退火样品与1050 ℃退火样品变形前后的显微组织。（a, b, g1, h1）带衬度（BC）和晶粒取向分布叠加图；（c, d）变形前胞结构SEM照片；（e,f）变形前位错组织TEM照片；（g2, h2）Kernel平均取向差（KAM）分布图。

图3. 未退火样品变形后的TEM明场照片，包括（a, b）滑移带（SB），（c, d,f, g）起源于位错墙的大量堆垛层错（SFs）和（e, h）一些变形孪晶。（i）纳米孪晶束和孪晶界（黄线）原子结构高分辨透射电子显微（HRTEM）照片。

图4. 1050 ℃退火样品变形后的TEM明场照片。（a, b）位错亚结构如位错胞和位错条纹；（c-e）位错胞放大照片，包括致密位错网；（f）少量SFs。

总之，作者报道了胞结构对AM 316LSS疲劳行为的影响。胞结构的存在将促进平面滑移系的开动和诱导形成平面位错组织如SFs和DTs，引起不均匀的应变累积，从而促进疲劳变形。