Nat. Mater.：采用增材制造可获得高强度、高延展性不锈钢

【引 言】

在材料制备中，材料的强度和韧度有时是两者不可兼得的性能，为了得到较好的材料硬度，人们可能不得不以牺牲材料韧度为代价。然而，有需求的存在，鱼与熊掌两者兼得就是一个绕不开的课题。 以激光束、电子束、等离子或离子束为热源，加热材料使之结合并直接制造零件的方法，称为高能束流快速制造，这是工业领域最为常见的增材制造方法。1

【成果简介】

 近日，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的Yinmin (Morris) Wang（通讯作者）在Nature Materials.上发表了题为“Additively manufactured hierarchical stainless steels with high strength and ductility”的文章。文中描述，通过激光粉末基体融合技术制造出的奥氏体316L不锈钢（L-PBF 316L），其屈服强度与拉伸延展性的性能组合超越传统316L钢的相应性能组合。

【图文导读】

图1.通过 L-PBF制造的316L不锈钢（SS）的典型微观结构

（1）图a是L-PBF 316L SS中发现的各种长度尺寸的图示。

（2）图b是L-PBF 316L SS试样的横截面电子背散射衍射（EBSD）反极图（IPF），其显示了试样的晶粒取向。反极图以2-μm的步长，从水平方向构建获得。

（3）图c是横截面扫描电镜（SEM）图像，显示了融合边界、大角度晶界（HAGBs）和胞状结构。放大图显示的是胞状结构。图像经垂直方向构建获得。

（4）图d是胞状结构的明场透射电镜图

（5）图e是图d所示胞状结构单元的大角度环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）图。胞状结构壁中的物质是在L-PBF处理过程中形成的富含过渡金属的硅酸盐。

（6）图f是以1-μm步长获得的EBSD反极图

（7）图g是大角度晶界（HAGB）与小角度晶界（LAGB）的EBSD特性（IQ）图叠加。如图例所示，HAGB（> 10°）呈蓝色，LAGB（2°-10°）呈红色。HAGB约占59%，LAGB约41％。

（8）图h是核平均取向误差（KAM）图，用于说明单个晶粒上的局部取向误差。很明显，所有晶粒都有0.5~1度的局部位错。

（9）图i中第1幅是Mo、 Cr向胞状结构壁和小角度晶界偏析的大角度环形暗场扫描电镜图像，第2~5幅图是确认该偏析中相应的Fe，Mo和Cr的 EDS图。 EDS图也验证了这一点颗粒富含Si，O。
图2. L-PBF 316L不锈钢的拉伸性能

（1） 图a是两种L-PBF 316L SS与铸态、锻造材料相比的典型拉伸工程应力应变曲线，红色是理想试样，蓝色是Fraunhofer试样。屈服强度（YS）、均匀延伸率(UE)及极限抗拉强度(UTS)在图中均有标示。

（2）图b是屈服应力对不同316L SS的均匀延伸的概要，包括实验中的高性能材料（通过纳米线束和双峰晶粒材料加固），常规粗晶材料（退火微观结构），通过传统塑性变形增大强度的材料。在3D打印钢（实验钢）中发现了强度和韧性具有最佳组合，其性能优于传统钢，甚至超过普通高性能的316L SS。

图3. L-PBF 316L SS拉伸变形过程中的同步辐射X射线衍射测量（SXRD）

(1) 图a是原位SXRD实验的真实应力应变曲线，包含两卸载，两重新加载。标称应变率为2.0×10-4 s-1 。

(2) 图b是在初始变形过程中沿加载方向（LD），四个hkl指数（200,220,311,222）的弹性晶格应变（实线）。

(3) 图c在第二次重新加载中的弹性晶格应变表现。在施加约650MPa应力的情况下呈现出更多的线性弹性行为，随后观察到明显的线性偏差。

(4) 图d是变形过程中222面反射的纹理变化，呈现出衍射强度是平面方位角和测试时间的函数。卸载和重新加载标记为绿色。在b中观察到的残余应变的重新分布在早期测试时引起晶粒的旋转，222结构沿着加载方向显著累积，这和由位错滑移引起的晶粒旋转现象一致。此外，70°的晶粒取向与形变孪晶的出现相符，这样的晶粒取向在图中已用白色箭头标出。

(5) 图e是图d中与70°晶粒取向有关的两个平面方位角的散射强度图。散射强度的改变对应开始于约800s的双诱导晶粒取向。

图4. L-PBF 316L SS 经不同程度拉伸后的结构形变

（1） 图a是胞状结构形变后的HAADF-STEM图。结构的形态和尺寸略有改变。

（2） 图b显示，形变孪晶似乎是从大角度晶界形核，然后穿过胞状结构壁向小角度晶界移动。

（3） 图c是图b的放大，表明，形变孪晶的间距通常大于1μm

（4） 图d是3%应变后的胞状结构区域的反极图，以及相关的特性（IQ）图、形核平均取向差（KAM）。这些数据是在透射电子显微镜（TEM）上基于自动化晶体取向绘图（ACOM），利用运动电子偏转（PED）获得，光束尺寸为10nm，步长为10nm。

（5） 图e是经过约3%拉应变后，并排的胞状结构相对于原点及以点到点方式测量的取向差角度变化图，结构组织以白线标注。

（6） 图f、g显示的是在约12%拉伸应变下的变形微观结构。图f是形变孪晶和胞状结构壁交汇的HAADF-STEM图，此应力下，胞状体被轻微拉长。图g是表明孪晶交汇（图中set1和set2）的明场TEM图，箭头指示孪晶与大角度晶界相交，这被认为是孪晶形核于大角度晶界或终止于大角度晶界。

【小 结】

 研究中，实验人员发现：通过增材制造技术获得的奥氏体316L不锈钢具备优异的强度的同时还拥有较好的拉伸性能。经分析，L-PBF 316L的高强度归因于形成的胞状结构、小角度晶界以及在制造过程中形成的位错，其高延伸率与稳定渐进的加工硬化机制有关，该机制受到分级的不均匀微观结构控制，结构的尺度跨越近六个数量级。此外，研究人员还发现，沿着胞状结构壁和小角度晶界的溶质偏析可以促进位错钉扎并促进孪生，采用增材制造的方法可以获得独特的微观组织结构，这些结构能带来较好的性能组合。

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

本文由材料人编辑部金属学术组谢元林供稿，材料牛编辑整理。

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