【引 言】

    在材料制備中，材料的強(qiáng)度和韌度有時(shí)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(jià)。然而，有需求的存在，魚與熊掌兩者兼得就是一個(gè)繞不開(kāi)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(jié)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(yè)領(lǐng)域最為常見(jiàn)的增材制造方法。

    【成果簡(jiǎn)介】

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

    【圖文導(dǎo)讀】

    圖1.通過(guò) L-PBF制造的316L不銹鋼（SS）的典型微觀結(jié)構(gòu)

    （1）圖a是L-PBF 316L SS中發(fā)現(xiàn)的各種長(zhǎng)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(zhǎng)，從水平方向構(gòu)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(jié)構(gòu)。放大圖顯示的是胞狀結(jié)構(gòu)。圖像經(jīng)垂直方向構(gòu)建獲得。

    （4）圖d是胞狀結(jié)構(gòu)的明場(chǎng)透射電鏡圖

    （5）圖e是圖d所示胞狀結(jié)構(gòu)單元的大角度環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射電鏡（HAADF-STEM）圖。胞狀結(jié)構(gòu)壁中的物質(zhì)是在L-PBF處理過(guò)程中形成的富含過(guò)渡金屬的硅酸鹽。

    （6）圖f是以1-μm步長(zhǎng)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(lán)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(shuō)明單個(gè)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(cuò)。

    （9）圖i中第1幅是Mo、 Cr向胞狀結(jié)構(gòu)壁和小角度晶界偏析的大角度環(huán)形暗場(chǎng)掃描電鏡圖像，第2~5幅圖是確認(rèn)該偏析中相應(yīng)的Fe，Mo和Cr的 EDS圖。 EDS圖也驗(yàn)證了這一點(diǎn)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(tài)、鍛造材料相比的典型拉伸工程應(yīng)力應(yīng)變曲線，紅色是理想試樣，藍(lán)色是Fraunhofer試樣。屈服強(qiáng)度（YS）、均勻延伸率（UE）及極限抗拉強(qiáng)度（UTS）在圖中均有標(biāo)示。

    （2）圖b是屈服應(yīng)力對(duì)不同316L SS的均勻延伸的概要，包括實(shí)驗(yàn)中的高性能材料（通過(guò)納米線束和雙峰晶粒材料加固），常規(guī)粗晶材料（退火微觀結(jié)構(gòu)），通過(guò)傳統(tǒng)塑性變形增大強(qiáng)度的材料。在3D打印鋼（實(shí)驗(yàn)鋼）中發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)度和韌性具有最佳組合，其性能優(yōu)于傳統(tǒng)鋼，甚至超過(guò)普通高性能的316L SS。

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

    （1） 圖a是原位SXRD實(shí)驗(yàn)的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線，包含兩卸載，兩重新加載。標(biāo)稱應(yīng)變率為2.0×10-4 s-1 。

    （2） 圖b是在初始變形過(guò)程中沿加載方向（LD），四個(gè)hkl指數(shù)（200,220,311,222）的彈性晶格應(yīng)變（實(shí)線）。

    （3） 圖c在第二次重新加載中的彈性晶格應(yīng)變表現(xiàn)。在施加約650MPa應(yīng)力的情況下呈現(xiàn)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(guò)程中222面反射的紋理變化，呈現(xiàn)出衍射強(qiáng)度是平面方位角和測(cè)試時(shí)間的函數(shù)。卸載和重新加載標(biāo)記為綠色。在b中觀察到的殘余應(yīng)變的重新分布在早期測(cè)試時(shí)引起晶粒的旋轉(zhuǎn)，222結(jié)構(gòu)沿著加載方向顯著累積，這和由位錯(cuò)滑移引起的晶粒旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象一致。此外，70°的晶粒取向與形變孿晶的出現(xiàn)相符，這樣的晶粒取向在圖中已用白色箭頭標(biāo)出。

    （5） 圖e是圖d中與70°晶粒取向有關(guān)的兩個(gè)平面方位角的散射強(qiáng)度圖。散射強(qiáng)度的改變對(duì)應(yīng)開(kāi)始于約800s的雙誘導(dǎo)晶粒取向。

    圖4. L-PBF 316L SS 經(jīng)不同程度拉伸后的結(jié)構(gòu)形變

    （1） 圖a是胞狀結(jié)構(gòu)形變后的HAADF-STEM圖。結(jié)構(gòu)的形態(tài)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(guò)胞狀結(jié)構(gòu)壁向小角度晶界移動(dòng)。

    （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(yīng)變后的胞狀結(jié)構(gòu)區(qū)域的反極圖，以及相關(guān)的特性（IQ）圖、形核平均取向差（KAM）。這些數(shù)據(jù)是在透射電子顯微鏡（TEM）上基于自動(dòng)化晶體取向繪圖（ACOM），利用運(yùn)動(dòng)電子偏轉(zhuǎn)（PED）獲得，光束尺寸為10nm，步長(zhǎng)為10nm。

    （5） 圖e是經(jīng)過(guò)約3%拉應(yīng)變后，并排的胞狀結(jié)構(gòu)相對(duì)于原點(diǎn)及以點(diǎn)到點(diǎn)方式測(cè)量的取向差角度變化圖，結(jié)構(gòu)組織以白線標(biāo)注。

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

    【小 結(jié)】

    研究中，實(shí)驗(yàn)人員發(fā)現(xiàn)：通過(guò)增材制造技術(shù)獲得的奧氏體316L不銹鋼具備優(yōu)異的強(qiáng)度的同時(shí)還擁有較好的拉伸性能。經(jīng)分析，L-PBF 316L的高強(qiáng)度歸因于形成的胞狀結(jié)構(gòu)、小角度晶界以及在制造過(guò)程中形成的位錯(cuò)，其高延伸率與穩(wěn)定漸進(jìn)的加工硬化機(jī)制有關(guān)，該機(jī)制受到分級(jí)的不均勻微觀結(jié)構(gòu)控制，結(jié)構(gòu)的尺度跨越近六個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，沿著胞狀結(jié)構(gòu)壁和小角度晶界的溶質(zhì)偏析可以促進(jìn)位錯(cuò)釘扎并促進(jìn)孿生，采用增材制造的方法可以獲得獨(dú)特的微觀組織結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)能帶來(lái)較好的性能組合。

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

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責(zé)任編輯：王元

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