《Nature》子刊：原位中子衍射揭示3D打印中受控应变演化的机制！

来源：增材在线

残余应力会影响大多数制成品的性能和可靠性，并且在铸造、焊接和增材制造（AM、3D打印）中普遍存在。残余应力与瞬态热应力产生的塑性应变梯度相关。增材制造中复杂的热条件会产生类似的复杂残余应力模式。然而，使用传统技术无法实时测量工艺对应力演变的影响。

近日，美国橡树岭国家实验室与田纳西大学诺克斯维尔分校研究团队合作在《nature communications》（中科院1区，Top，影响因子16.6）发表最新研究成果“Operando neutron diffraction reveals mechanisms for controlled strain evolution in 3D printing”，使用原位中子衍射来表征低温转变钢增材制造过程中的瞬态相变和晶格应变演化。

结合衍射、红外和模拟数据表明，弹性和塑性应变分布是由面心立方和体心立方相界的运动控制的。该研究为设计增材制造部件中的残余应力状态和性能分布提供了一条新途径。这些发现将能够控制残余应力分布，从而实现提高疲劳寿命或抗应力腐蚀开裂等优点。

图1. A 采用线弧增材制造技术生产低碳钢和低温转变(LTT250)钢样品。样品分为三个部分并在其间冷却至室温。B 非原位中子衍射测量（在HFIR处收集）显示弹性晶格应变随中心线高度的变化。C 构建了操作增材制造装置，用于监测SNS加工过程中的温度、相变和晶格应变。D 膨胀测量数据显示了增材制造LTT钢的近似相变温度。E 操作实验程序示意图，包括三个部分的构建，中间使用主动冷却冷却至室温，然后绘制晶格应变图。

图2. 在LTT钢制造过程中，在A 阶段1、B 阶段2和 C 阶段3期间使用红外(IR)热成像技术测量温度分布随时间的变化，在此期间样品冷却至室温（规模为1 cm）。在相关构建部分的制造过程中，在指定点收集时间分辨中子衍射数据。D 阶段1期间第1点的中子衍射数据显示沉积期间出现FCC峰值，以及阶段1完成后冷却期间形成BCC。在 E 阶段2 和 F 阶段3制造期间的同一点，温度没有充分升高，将BCC转换回FCC。G 构建几何结构的示意图显示了中子数据收集相对于构建部分的位置；对于H阶段2的第2点和I阶段3的3点，观察到与点1相似的趋势，其中材料最初固化为FCC，并在冷却开始后转变为BCC。所有衍射数据均以任意标准化强度单位显示。

图3. 残余应力的演变取决于多个构建部分沉积过程中的加热、冷却和再加热。在初始沉积时，FCC到BCC形成过程中的膨胀会在沉积物中产生压缩应变，并在基底中产生拉伸应变。在再加热过程中，会形成FCC/BCC界面，在该界面处，冷却时的差异CTE和FCC到BCC的转变会产生局部压缩/拉伸应变模式。此外，在界面下方重新加热BCC会产生退火效应，从而软化材料。

论文引用

Plotkowski, A., Saleeby, K., Fancher, C.M. et al. Operando neutron diffraction reveals mechanisms for controlled strain evolution in 3D printing. Nat Commun 14, 4950 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41467-023-40456-x