利用激光粉末床熔融技术制造的316L不锈钢中，通过微柱实验研究了位错胞对临界分辨剪切应力的影响

《Materials Science and Engineering: A》：Micropillar Investigation of Dislocation Cell Dependent Critical Resolved Shear Stress of 316L Stainless Steel Manufactured by Laser Powder Bed Fusion

研究316L不锈钢激光粉末床融合（PBF-LB/M）过程中位错胞结构对临界剪切应力（CRSS）的影响，通过21个微柱压缩实验与晶体塑性（CP）模拟结合，发现CRSS主要受胞内初始屈服应力及胞壁体积分数影响，与位错胞取向无关，并揭示了异质强化机制。

　　在现代材料科学领域，增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术正日益成为生产高性能结构材料的重要手段。激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, PBF-LB/M）作为一种典型的增材制造工艺，因其能够实现复杂几何形状的快速制造而受到广泛关注。PBF-LB/M技术在制造316L不锈钢（SS）时，由于其快速凝固和高热梯度的特性，形成了独特的超细细胞结构。这种结构在材料的力学性能中起着关键作用，尤其是在增强材料强度方面。然而，尽管已有大量研究关注这种细胞结构对材料强度的影响，其具体机制仍存在争议，特别是在细胞尺寸、取向和位错密度对临界解析切应力（Critical Resolved Shear Stress, CRSS）的具体影响方面。

本研究通过微柱压缩试验与晶体塑性（Crystal Plasticity, CP）有限元模拟相结合，系统地探讨了PBF-LB/M 316L不锈钢中不同细胞结构对CRSS的影响。实验中，研究人员在同一批次的PBF-LB/M 316L不锈钢样品中，制造了21个具有不同细胞取向、尺寸和一般位错密度（GNDs）的微柱，并对这些微柱进行了压缩测试。测试结果显示，CRSS值存在较大的离散性，这种离散性主要来源于材料内部的局部异质性。进一步的模拟分析表明，CRSS主要由细胞内部的初始屈服应力决定，并且表现出类似Hall-Petch效应的趋势，即随着细胞尺寸的减小，CRSS值有所增加。然而，由于实验中CRSS值的离散性较大，这一趋势在实验数据中并不明显。此外，研究还发现CRSS值与细胞取向无关，这与一些先前的假设相矛盾，表明在特定条件下，细胞取向对材料强度的影响可以忽略。

为了更深入地理解这些现象，研究团队采用了一种现象学的晶体塑性模型，对微柱压缩行为进行了模拟。该模型允许研究人员调整不同细胞结构的几何参数，并通过实验获得的应力-应变响应对模型参数进行校准。通过这种方式，模型能够更准确地反映实际材料的力学行为。模拟结果表明，CRSS值主要受到细胞内部初始屈服应力的影响，而细胞尺寸和取向的变化则通过影响位错运动的方式间接影响CRSS。这一发现对于理解PBF-LB/M 316L不锈钢的微观力学机制具有重要意义，也为未来在该材料中优化细胞结构以提高力学性能提供了理论依据。

研究中使用的316L不锈钢粉末来自Carpenter Additive Liverpool公司，其化学成分如表1所示。粉末颗粒主要呈球形，粒径分布符合ASTM B822标准，其中d10%为19.8 μm，d50%为30.9 μm，d90%为48.0 μm。为了制造具有不同细胞结构的微柱，研究团队使用了ReaLizer SLM 100机器，并将构建平台预热至400°C。这一预热条件在一定程度上影响了材料的凝固过程，进而改变了细胞的形成方式和尺寸分布。通过这种方法，研究人员能够控制并调整细胞的几何特征，以便更系统地研究其对CRSS的影响。

在微柱压缩试验中，研究人员特别关注了不同细胞取向对CRSS的影响。他们发现，尽管细胞取向可能在一定程度上影响位错的运动路径，但CRSS值与细胞取向之间并没有显著的依赖关系。这一结果与一些先前的假设相矛盾，表明在某些条件下，细胞取向对材料强度的影响可以忽略。此外，实验还显示，CRSS值与细胞尺寸的负平方根和GND密度的平方根之间存在一定的相关性，但这种相关性受到材料内部局部异质性的干扰，导致CRSS值的离散性较大。因此，研究团队认为，细胞尺寸和GND密度在一定程度上影响了CRSS，但这种影响并不是唯一的决定因素。

为了进一步验证这些发现，研究团队使用晶体塑性模型对微柱压缩行为进行了模拟。模型中考虑了不同尺寸和取向的细胞结构，并通过实验数据对模型参数进行了校准。模拟结果显示，CRSS值主要由细胞内部的初始屈服应力决定，而细胞尺寸和取向的变化则通过影响位错的运动方式间接影响CRSS。这一结果表明，细胞结构的异质性是影响CRSS值的关键因素，而不仅仅是细胞尺寸或取向的单一变化。此外，模拟还揭示了CRSS值与细胞尺寸之间的类似Hall-Petch效应，这一效应在实验数据中由于离散性较大而被掩盖。

研究团队还特别关注了位错密度对CRSS的影响。他们发现，位错密度在一定程度上主导了材料的屈服强度，而这一位错密度可以通过细胞壁的体积分数来表征。这一发现与Li等人先前的研究结果一致，表明位错密度在决定材料强度方面起着重要作用。然而，实验数据表明，细胞尺寸的变化对CRSS的影响并不显著，这可能是因为在实际材料中，细胞尺寸的变化往往伴随着其他微观结构特征的变化，如位错密度和细胞壁的分布方式。因此，研究团队认为，单纯通过调整细胞尺寸来提高材料强度可能并不足够，还需要综合考虑其他微观结构参数的影响。

此外，研究团队还探讨了微柱压缩试验的局限性。由于微柱压缩试验的样本数量有限，实验数据的离散性较大，这使得研究人员难以准确确定细胞尺寸和取向对CRSS的具体影响。为了克服这一问题，研究团队采用了晶体塑性模拟，通过调整模型参数来更精确地反映材料的微观结构特征。这种结合实验与模拟的方法不仅提高了研究的准确性，还为未来在增材制造材料中进行更系统的研究提供了新的思路。

总的来说，本研究通过实验与模拟相结合的方法，揭示了PBF-LB/M 316L不锈钢中不同细胞结构对CRSS的影响。研究发现，CRSS值主要由细胞内部的初始屈服应力决定，而细胞尺寸和取向的变化则通过影响位错的运动方式间接影响CRSS。此外，研究还表明，位错密度在一定程度上主导了材料的屈服强度，而细胞尺寸的变化对CRSS的影响并不显著。这些发现对于理解增材制造材料的微观力学机制具有重要意义，并为未来在该领域优化材料性能提供了理论支持。