Kljestan N, Vallejo N D, Huynh T, et al. Flaw type and build orientation dependent tensile and creep strength of 316L stainless steel fabricated via laser powder bed fusion[J]. Materials Science and Engineering: A, 2025, 922: 147671.
Kljestan, Nemanja, et al. "Flaw type and build orientation dependent tensile and creep strength of 316L stainless steel fabricated via laser powder bed fusion." Materials Science and Engineering: A 922 (2025): 147671.
Kljestan, N., Vallejo, N. D., Huynh, T., McWilliams, B. A., Sohn, Y., & Knezevic, M. (2025). Flaw type and build orientation dependent tensile and creep strength of 316L stainless steel fabricated via laser powder bed fusion. Materials Science and Engineering: A, 922, 147671.
背景简介
316L不锈钢因其良好的耐热性、耐腐蚀性、强度和延展性，广泛应用于医疗和外科设备、化学加工设备、船舶、以及航空航天和核工业等领域。激光粉末床熔融（Lase Powder Bed Fusion, LPBF）由于其适用于原型制造和复杂结构件成形，已成为增材制造领域的重要工艺。然而用LPBF工艺制造的零件常伴随典型缺陷的产生，如未熔合缺陷（Lack of Fusion, LoF）和匙孔缺陷（Key Hole, KH）。试验表明，将缺陷特征与屈服强度、极限拉伸强度和断裂伸长率相关联后发现，不同类型的缺陷对材料性能具有显著影响。
本研究采用激光粉末床熔化技术，在恒定激光功率条件下，通过调控激光扫描速度制备316L不锈钢试样，分别获得含有未熔合缺陷（Lack of Fusion, LoF）、匙孔缺陷（Keyhole, KH）以及最佳参数下的全致密试样（Fully Dense, FD）。通过显微X射线计算机断层扫描（micro-CT）对试样内部缺陷的尺寸和纵横比进行统计分析后，开展单轴拉伸试验与蠕变性能测试。研究旨在揭示不同缺陷类型及微观组织特征对材料静态力学性能与蠕变行为的影响。
成果介绍
（1）通过对显微X射线计算机断层扫描数据的分析，确定了含LoF和KH材料中缺陷的尺寸和形状分布，并利用电子背散射衍射沿着观察到了熔池、柱状晶和织构的存在，同时利用二次电子成像技术观察了拉伸和蠕变断口形貌。在所研究的材料中，LoF Z材料具有尺寸最小的晶粒和最高的孔隙率，而KH Z材料表现出最强的织构（Z代表试样在增材过程中的加载轴方向同全局坐标系的Z轴平行）。（结果见图1、2）。
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图1 EBSD测量的逆极图（IPF）图、图像质量（IQ）图和立体极图：a）FD Y，B）FD Z，c）KH Z，d）LoF Z。垂直于图的方向为各样本的轴向（加载）方向，在每组第一张图的右上角中的IPF三角形描述的是晶格框架相对于构建方向的取向，构建方向位于极图的中心。注：构建方向为打印过程材料堆叠方向，同全局坐标系的Z轴方向。
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图2缺陷的三维视图以及中间横截面的平面视图：使用μXCT测量的(a) KH Z和(b) LoF Z材料；(c)两种材料中每孔洞体积增量的孔洞数量的分布；(d)两种材料孔洞纵横比的归一化分布。
（2）LoF和KH缺陷对LPBF 316 L不锈钢的静态强度/塑性和持久寿命都存在不利影响。其中，KH缺陷的不利影响小于LoF缺陷，而含有LoF缺陷的试样的静态强度和塑性均低于其他材料，与FD试样相比，含有KH缺陷的试样在达到极限拉伸强度后表现出更短的不均匀变形（结果见图3）。
蠕变试验结果表明，LoF试样的强度最低，断裂寿命最短，而FD Z试样的断裂寿命最长。此外，尽管存在缺陷，但由于存在门槛应力场、排列良好的晶界和最强的织构，KH Z材料在较低温度和应力下的蠕变初始阶段表现出相当甚至更好的抗蠕变性能（结果见图4）。
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图3 FD Z、FD Y、KH Z和LoF Z样本在单轴拉伸条件下测试的工程应力-工程应变曲线。
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图4 FD Z、FD Y、KH Z和LoF Z样本在550 ℃、600 ℃和650 ℃温度下，200 MPa、225 MPa和250 MPa应力下的蠕变应变(%)与运行时间（小时）曲线图。曲线末端十字标识表示断裂的试样。
（3）研究发现门槛应力的存在对确定所研究材料的真实蠕变参数起着重要作用。在蠕变方程中加入门槛应力导致应力指数减小。所有类别样本的估计门槛应力值均呈现出随温度升高而持续降低的趋势。KH Z样品由于孔洞导致的应力集中而表现出最高的门槛应力。较高的门槛应力使得其在蠕变初始阶段对蠕变变形的抗性增强。因此，门槛应力场与蠕变过程中的应变率存在关联。但由于KH Z样品中存在孔洞，导致其寿命比FD Z试样短。与FD Z和KH Z样品相比，FD Y样品的门槛应力值更低，这导致了更早的蠕变应变激活并降低了蠕变强度。在所研究的材料中，LoF Z样品具有最低的门槛应力值、最早的蠕变激活以及最弱的蠕变强度（结果见图5）。
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图5 Lagneborg-Bergman图用于估算图中所标注材料的门槛应力(σ0)，并在将门槛应力纳入MBD方程后重新计算应力指数值。
（4）对活化能和应力指数的分析中表明，在四种类别的试样中，活化能并非对应力的强函数，而是随着温度的升高而降低。LoF Z样本的活化能明显低于其他材料的样本。KH Z样本的活化能最高，但由于应力集中，其应力指数最低。LoF Z 样本的活化能最低。所有样本类别在温度升高时，应力指数都有轻微的增加。所有样本类别的应力指数表明，LPBF 316L除了位错滑动外，伴随扩散的位错攀移也是其蠕变机制之一（结果见图6、7）。
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图6 四种试样类别分别在200 MPa、225 MPa、250 MPa水平下的表观活化能拟合结果。
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图7四种试样类别分别在550℃、550℃、550℃条件下的表观应力指数基于MBD方程的拟合结果。
（5）对断口的分析表明，LoF和KH试样在蠕变和单轴拉伸后的断裂表面具有缺陷驱动的断裂路径。FD试样的蠕变后的断口表现出沿晶和穿晶裂纹扩展，后者占主导地位。其断裂面呈现出穿晶面和一些解理面，表明这是一种脆性断裂，其中微孔合并现象所占比例较小。相比之下，FD试件单轴拉伸后的断口表面不仅在试件的中心区域出现了微小孔洞的合并现象，而且周围还出现了快速的剪切断裂（结果见图8、9）。
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图8 在650 ℃和250 MPa条件下蠕变破坏后断口的二次电子显微照片。
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图9 在室温下0.001/s应变速率下单轴拉伸后断口的二次电子显微照片。
致谢
这项工作由国防部陆军研究实验室赞助，并根据合作协议编号W911NF-21-2-0149完成。本文第一作者：Nemanja Kljestan（University of New Hampshire），本文通讯作者：Marko Knezevic（University of New Hampshire）。
本期小编 周子尧（整理）
董乃健（校对）
程 航 （审核）
董乃健（发布）
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