Acta Mater.：增材制造316L不銹鋼結構/性能-固有特性與層裂響應

liunian 6年前 (2017-08-02) 5032瀏覽

【引言】

316L不銹鋼（簡稱316L SS）因其優異的強度和耐腐蝕性而在海洋，能源，航空航天和醫療領域中廣泛使用。目前研究重點是這種特定合金的固有特性。這些研究已經努力量化缺陷之間的聯系，例如孔隙度，欠粉末熔化和表面缺陷。雖然固有屬性在合格的增材制造（AM）產品中是重要的，但是將AM部件與使用傳統金屬制造方法制造的部件進行比較尤為重要，特別是在AM期間產生的獨特顯微結構產生的損壞機制。高周疲勞領域存在許多研究，這些研究開始使AM顯微結構與損傷演化與破壞之間形成聯系，但迄今尚未探索到316不銹鋼系列的動態損傷演化。

【成果簡介】

近日，美國洛斯·阿拉莫斯國家實驗室G.T. Gray III（通訊作者）在Acta Mater.上發表了題為“Structure / Property (Constitutive and Spallation Response) of Additively Manufactured 316L Stainless Steel”的文章。本文詳細量化了以金屬增材制造方法制備的材料的固有（強度和損傷）特性以及層裂響應。本研究涉及制造、微觀結構表征、準靜態和動態壓縮試驗，以及通過激光近型制造（LENS）方法制備的316L奧氏體不銹鋼圓柱體的沖擊誘發層裂試驗。研究結果表明，AM316L SS和再結晶AM 316L SS的層裂強度隨著峰值沖擊應力的增加而降低，而退火316L SS層裂強度基本保持不變。損傷演化在三個316L SS顯微結構中顯著變化，而負載到6.5GPa的峰值沖擊應力的三個樣品僅顯示出?12％的剝落強度差異。

【圖文解讀】

表一 316不銹鋼化學組成

Wt.% C Cr Cu Mn N Ni P S Si Mo
Wrought 0.022 16.16 0.39 1.70 0.063 10.03 0.029 0.0004 0.40 2.08
Powder 0.02 20.7 0.19 1.32 0.09 11.4 0.02 0.01 0.50 2,45

圖一 式樣光學顯微圖像以及EBSD圖

頂部：退火鍛造316 SS；中間：AM 316L SS；底部：AM 316 SS 再結晶熱處理，1060℃，1小時。

圖二 層裂以及損傷實驗裝置圖

鍛造316L SS沖擊器在80mm氣槍中加速并撞擊目標以產生研究的兩個峰值沖擊應力。定位PDV探針用以觀察每個樣品的中心，以及層裂實驗中提供自由表面測速數據。

圖三 真應力-真應變響應（Hopkinson壓桿實驗）

(a) 準靜態；

(b) 動態。

圖四 316AM顯微組織

圖（左）為獨特的晶粒顏色圖；圖（右）枝晶光學顯微鏡圖像。

圖五 PDV波形（粒子速度-時間曲線）

(a) 4.7GPa；

(b) 6.5GPa。

表二 空隙直徑、空隙數以及總損傷

316 SS Material Peak Stress(GPa) Number of Voids Average Size(μm) Void Average Fraction
AM 4.72 53 11765 0.983
AM Recyrstall 4.71 227 4053 1.569
Wrought 4.65 262 3031 1.86
AM 6.52 NA NA NA
AM Recyratall 6.51 NA NA NA
Wrought 6.44 NA NA NA

圖六 沖擊試驗宏觀光學金相組織

(a) 峰值沖擊應力負載4.7GPa，引發初始損傷；

(b) 峰值沖擊應力負載6.5GPa，AM SS試樣近完全斷裂。

圖七 損傷光學圖像

(a) 高倍率損傷演化光學圖像；

(b) 鍛造316L SS延展斷裂以及重結晶316L AM+SS層裂圖像。

【小結】

AM 316L SS的固有屬性和沖擊誘發層裂響應與退火鍛造316L SS和再結晶AM 316L SS進行比較。有如下結論：

1.AM 316L SS顯示出與退火鍛造316L SS相比，屈服強度高出60％，明顯的宏觀凝固前沿結構，以及明顯的化學偏析。其強度增加被認為是由于在AM工藝中固化期間形成的細小枝晶。并且結構殘余應力與應變率跳躍試驗結果不一致有助于AM 316L SS強化。

2.退火鍛造316L SS在不同的沖擊應力峰值層裂強度保持不變，與其相比，4.7GPa時，AM 316L SS層裂強度提高10%，加載至6.5 GPa時，層裂強度降低10%。

3.與再結晶AM 316L SS相比，顯示出類似的準靜態本構應力應變行為，但在初始層裂載荷下存在損傷演化差異。

4.AM 316L SS沿著凝固前沿的優化損傷演變與沖擊載荷垂直于構造方向表明，未來的動態層裂研究應該探究AM材料的動態層裂行為與加載方向和構造方向的關系。

文獻鏈接：Structure / Property (Constitutive and Spallation Response) of Additively Manufactured 316L Stainless Steel(Acta Mater., July 22, 2017, DOI: 10.1016/j.actamat.2017.07.045)

本文由材料人編輯部金屬學術組liunian投稿，材料牛編輯整理。

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