增材制造马氏体时效钢中马氏体相变的受限变体选择机制及其热应变调控

增材制造(AM)马氏体钢中异常马氏体组织形成机制不明？西北大学团队通过电子背散射衍射(EBSD)和热机械有限元分析(FEA)，揭示了激光定向能量沉积(L-DED)过程中热应变分布与马氏体变体选择的关联规律，发现沿特定方向的拉伸残余热应变会抑制对应Bain轴取向的马氏体变体形成，为定向调控微观结构提供了新思路。

　　

在金属材料领域，马氏体相变一直是研究者关注的焦点。这种从奥氏体到体心四方相（接近体心立方BCC）的转变，通过Kurdjumov-Sachs（K-S）取向关系形成24种可能变体，其选择机制直接影响材料的力学性能。传统加工工艺中，马氏体变体分布相对均匀，但近年来增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术制备的马氏体时效钢却展现出反常的微观结构——变体选择高度偏聚于少数几种，且与样品坐标系方向密切相关。这种异常现象背后的机制尚不明确，限制了通过AM技术精准调控材料性能的可能性。

为解开这个谜团，西北大学的KenHee Ryou团队在《Scripta Materialia》发表研究，以激光定向能量沉积（L-DED）制备的PH48S马氏体时效钢为对象，结合电子背散射衍射（EBSD）和热机械有限元分析（FEA），首次建立了沉积过程中热应变分布与马氏体变体选择的定量关联。研究发现，当Bain轴与横向（TD）方向夹角小于45°时，对应变体形成显著受限；而纵向（LD）方向的压缩应变则促进变体形成。这种方向依赖性源于残余热应变对机械驱动力的调制——拉伸应变抑制而压缩应变促进马氏体相变。

关键技术方法包括：1）采用定制L-DED系统制备样品（48×20×15 mm³），激光功率600 W，扫描速度7 mm/s；2）通过EBSD分析51个原奥氏体晶粒的变体分布；3）基于GAMMA代码进行热机械FEA模拟，计算沉积过程中的温度场和应变场（持续429秒）；4）结合Thermo-Calc计算马氏体转变开始温度（M_S）。

研究结果层层递进：

1. 1.

   异常马氏体形貌表征：与传统轧制低碳钢马氏体相比，AM样品中马氏体呈现枝晶核心截面形态，且单颗原奥氏体晶粒内仅集中出现2-3种变体（图1）。BCC{100}极图显示部分K-S取向环缺失（图2），表明特定Bain群组（如B1组）的变体被系统性抑制。

2. 2.

   变体选择的方向依赖性：统计分析显示，当Bain轴与TD夹角<45°时，变体分数普遍<0.2；而与LD夹角较小时则促进变体形成（图4）。这种趋势在高铁素体分数区域（>50%）更为显著。

3. 3.

   热应变场的决定性作用：FEA模拟揭示TD方向存在显著拉伸残余应变（+0.002），而LD和构建方向（BD）以压缩应变为主（图5）。当Bain轴与拉伸应变方向对齐时，机械功U=σ:ε减小，阻碍相变所需剪切变形。

4. 4.

   层间变体选择差异：跨越沉积层界的原奥氏体晶粒中（图3d-f），下层同时存在B2（浅蓝）和B3（橙色）组变体，而上层仅存B2组。对应FEA显示上层BD方向转为拉伸应变，验证了应变场对变体选择的动态调控。

这项研究首次建立了AM过程中热应变场与马氏体变体选择的定量关系，阐明拉伸残余应变通过降低机械驱动力抑制特定Bain群组变体形成的机制。这不仅解释了AM马氏体钢异常微观结构的成因，更提供了通过工艺参数（如扫描路径、层厚）定向调控变体分布的新策略。作者指出，结合应变场设计与元素偏析控制，未来可实现马氏体组织的三维空间编程，为开发具有梯度性能的AM金属部件奠定理论基础。该发现对航空航天、模具制造等需要局部性能调控的高端应用具有重要指导意义。