新加坡国立大学 l 增材制造材料微结构中应变局部化机理研究

| 3DScienceValley · 2024/08/29

谷专栏

以下文章来源于材料科学与工程，作者材料科学与工程

增材制造因其在复杂几何形状设计和成本效益方面的显著优势，逐渐成为研究和应用的热点。然而，与传统制造方法相比，增材制造中多个工艺参数控制的高度瞬态和复杂的制造过程会导致形成的独特微观结构和不可忽视的残余应力，这使得增材制造材料实现稳定、一致和精细可控的机械性能颇具挑战性。在晶粒尺度上，机械性能的不稳定性表现为增材制造微观结构内的变形不均匀性，即应变局部化现象，而这可能引发裂纹和失效，同时影响材料的强度和延展性。因此，研究增材制造材料的应变局部化行为及其背后的机制具有重要意义。

新加坡国立大学机械系闫文韬课题组对激光粉末床熔融（L-PBF）技术制造的316L不锈钢的应变局部化行为进行了深入研究。研究团队开发了一种能够考虑残余应力影响的基于位错的晶体塑性有限元模型，该模型能够准确再现拉伸实验中通过DIC观察到的应变分布。通过结合实验和仿真数据对观察区域内的大量晶粒进行了统计分析，其中讨论了滑移活动、位错演化、加载方向和晶粒尺度残余应力等各种因素，进而可以阐明增材制造微观结构特征对应变局部化的影响，这将为增材制造材料的微观结构设计提供见解。相关工作成果以Understanding the strain localization in additively manufactured materials: Micro-scale tensile tests and crystal plasticity modeling为题发表在《International Journal of Plasticity》上。

▲论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2024.103981

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3D科学谷发现

3D Science Valley Discovery

新加坡国立大学的这项研究亮点包括：

模型开发：研究人员开发了一个晶体塑性模型，该模型考虑了晶粒尺寸效应、残余应力和应变梯度等因素，通过EBSD数据计算Kröner–Nye张量来估算残余变形梯度和初始GND密度。

统计分析：对晶粒的统计分析揭示了应变局部化与滑移行为、晶粒间相互作用、位错演化及残余应力之间的复杂关系。
晶粒特征与应变分布：发现大尺寸晶粒有助于减少应变集中，而高残余应力的小晶粒中应变局部化现象更为显著。
位错演化：位错密度的增加主要集中在晶界附近，尤其是在小晶粒和形状变化显著的区域。
微结构对应变分布的影响：增材制造材料的柱状晶粒特征导致应变分布对加载方向高度敏感，不同加载方向下应变分布特征不同。

开发的模型不仅可以预测应变局部化现象，还可以用于解耦各个因素对机械行为的影响，并预测增材制造零件的损伤。这项研究不仅增进了对增材制造材料变形机制的理解，而且为材料设计和工艺优化提供了有价值的见解。

Insights that make better life

主要研究结果

本项工作中，研究者通过L-PBF构造了如图1所示具有显著的柱状晶-等轴晶分布特征但呈现不同分布形式的316L不锈钢样品，并通过在原位拉伸试验中的DIC记录了观察区域在不同受力阶段下的应变分布情况。为了探究应变局部化发生的机理，研究者开发了一个包含应变梯度的基于几何必要位错（GND）密度的晶体塑性模型，该模型中耦合了通过EBSD数据中计算得到的Kröner–Nye张量估算的残余变形梯度和初始GND密度，能够考虑微结构中的晶粒尺寸效应和残余应力影响。通过对比相同受力阶段下的应变分布，如图2所示，此模型能够相对准确地反映AM微结构在受力下的应变的分布特征，说明当下的模型能够很好地反映AM材料中的变形行为和应变局部化现象的形成。

图1. (a) 原位拉伸装置 (b) 样品观察区域的SEM示意图 (c) 样品1及 (d) 样品2的 EBSD结果。

图2通过对比不同受力阶段下DIC和晶体塑性仿真得到的应变分布进行对模型的验证。

图3观察区域内晶粒的各个因素与应变局部化之间关系的统计分析。

通过对大量晶粒的统计分析，如图3所示，研究进一步揭示了增材制造材料中应变局部化与滑移行为、晶粒间相互作用、位错演化及残余应力之间的复杂关系。研究发现，应变局部化不仅需要单个晶粒内部的滑移系被局部的受力状态良好激活，还受到晶粒间相互作用和滑移传递能力的显著影响，相邻的支持滑移传递的晶粒越多，越不易发生应变集中，而增材制造材料的微结构中的大尺寸晶粒在此方面更具优势。应变局部化现象在具有高残余应力的小晶粒中尤为显著，而在较大晶粒中表现相对较弱，这是因为残余应力在后续加载中对小晶粒的机械响应影响更为显著。

应变的增长与位错密度的演化也显著相关，位错密度的增加主要集中在晶界附近，尤其是在小晶粒和形状变化显著的区域。另外，通过对比两个样品可以发现，增材制造材料的微结构中柱状晶粒的特征使得应变分布对加载方向高度敏感，导致了不同加载方向下明显不同的应变分布特征。从图4中可以看出，在样品2中受力与柱状晶的长轴方向更为接近，产生的GND增长峰值区域与应变的积累相关。而在样品1中由于沿着受力路径穿过晶粒距离更短，有更多晶界起到阻碍作用，使得位错密度变化明显具有更大的波动，影响了应变局部化的分布特征。增材制造在微结构设计的灵活性也使其具有通过设计柱状晶排布特征来调节力学性能的潜力。

图4. (a) 样品1 和 (b) 样品2 中沿着受力方向的路径上几何必要位错密度的增长情况。

除了对增材制造的材料应变局部化现象的预测之外, 本研究开发的模型也能够用于解耦各个因素对机械行为的影响，并且可用于预测后续增材制造零件的损伤。这些发现不仅加深了对增材制造材料变形机制的理解，也为设计微观结构提供了思路，以有效促进均匀塑性流动并最大限度地减少应变局部化。从材料设计的角度来看，增材制造在设计微观结构来调节机械性能的方面具有巨大的潜力，能够通过优化工艺参数来调控微观结构的晶粒特征并降低残余应力，进而避免AM材料的提前损伤失效和提高材料机械性能。

来源：材料科学与工程

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