Acta Mater.：增材制造316L不锈钢结构/性能-固有特性与层裂响应
【引言】
316L不锈钢（简称316L SS）因其优异的强度和耐腐蚀性而在海洋，能源，航空航天和医疗领域中广泛使用。目前研究重点是这种特定合金的固有特性。这些研究已经努力量化缺陷之间的联系，例如孔隙度，欠粉末熔化和表面缺陷。虽然固有属性在合格的增材制造（AM）产品中是重要的，但是将AM部件与使用传统金属制造方法制造的部件进行比较尤为重要，特别是在AM期间产生的独特显微结构产生的损坏机制。高周疲劳领域存在许多研究，这些研究开始使AM显微结构与损伤演化与破坏之间形成联系，但迄今尚未探索到316不锈钢系列的动态损伤演化。
【成果简介】
近日，美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室G.T. Gray III（通讯作者）在Acta Mater.上发表了题为“Structure / Property (Constitutive and Spallation Response) of Additively Manufactured 316L Stainless Steel”的文章。本文详细量化了以金属增材制造方法制备的材料的固有（强度和损伤）特性以及层裂响应。本研究涉及制造、微观结构表征、准静态和动态压缩试验，以及通过激光近型制造（LENS）方法制备的316L奥氏体不锈钢圆柱体的冲击诱发层裂试验。研究结果表明，AM316L SS和再结晶AM 316L SS的层裂强度随着峰值冲击应力的增加而降低，而退火316L SS层裂强度基本保持不变。损伤演化在三个316L SS显微结构中显着变化，而负载到6.5GPa的峰值冲击应力的三个样品仅显示出〜12％的剥落强度差异。
【图文解读】
表一 316不锈钢化学组成
| 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 |
图一 式样光学显微图像以及EBSD图
顶部：退火锻造316 SS；中间：AM 316L SS；底部：AM 316 SS 再结晶热处理，1060℃，1小时。
图二 层裂以及损伤实验装置图
锻造316L SS冲击器在80mm气枪中加速并撞击目标以产生研究的两个峰值冲击应力。定位PDV探针用以观察每个样品的中心，以及层裂实验中提供自由表面测速数据。
图三 真应力-真应变响应（Hopkinson压杆实验）
(a) 准静态；
(b) 动态。
图四 316AM显微组织
图（左）为独特的晶粒颜色图；图（右）枝晶光学显微镜图像。
图五 PDV波形（粒子速度-时间曲线）
(a) 4.7GPa；
(b) 6.5GPa。
表二 空隙直径、空隙数以及总损伤
| 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 |
图六 冲击试验宏观光学金相组织
(a) 峰值冲击应力负载4.7GPa，引发初始损伤；
(b) 峰值冲击应力负载6.5GPa，AM SS试样近完全断裂。
图七 损伤光学图像
(a) 高倍率损伤演化光学图像；
(b) 锻造316L SS延展断裂以及重结晶316L AM+SS层裂图像。
【小结】
AM 316L SS的固有属性和冲击诱发层裂响应与退火锻造316L SS和再结晶AM 316L SS进行比较。有如下结论：
1.AM 316L SS显示出与退火锻造316L SS相比，屈服强度高出60％，明显的宏观凝固前沿结构，以及明显的化学偏析。其强度增加被认为是由于在AM工艺中固化期间形成的细小枝晶。并且结构残余应力与应变率跳跃试验结果不一致有助于AM 316L SS强化。
2.退火锻造316L SS在不同的冲击应力峰值层裂强度保持不变，与其相比，4.7GPa时，AM 316L SS层裂强度提高10%，加载至6.5 GPa时，层裂强度降低10%。
3.与再结晶AM 316L SS相比，显示出类似的准静态本构应力应变行为，但在初始层裂载荷下存在损伤演化差异。
4.AM 316L SS沿着凝固前沿的优化损伤演变与冲击载荷垂直于构造方向表明，未来的动态层裂研究应该探究AM材料的动态层裂行为与加载方向和构造方向的关系。
文献链接：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)
本文由材料人编辑部金属学术组liunian投稿，材料牛编辑整理。
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