导读: 退火软化是传统粗粒材料中常见的现象。本文研究了选择性激光熔化316L不锈钢(SLM-ed 316L SS)的退火诱导硬化机制。SLM-ed 316L SS，没有先前的冷加工历史，表现出明显的硬化行为，退火温度从400◦C增加到500◦C。这种现象主要是由于独特的护栏状位错壁由纳米颗粒(O、Cr、Mo和Si)和高比例的LAGBs组合而成，阻碍了位错的移动并导致其积累。此外，这种结构和柱状晶体的稳定配置可以协同影响500◦C退火样品，导致628 MPa的高屈服应力。另一方面，复杂的变形子结构，如层错、lomo - cottrell锁和森林位错，也在变形过程中增殖。这些子结构实现了多尺度塑性应变分配，强化了应变硬化，实现了屈服/极限抗拉强度为628 MPa/789 MPa，抗拉延性为32%的强度-延性组合。基于本研究的强化机制模型，位错运动是主要的变形机制。

奥氏体316l不锈钢(SS)因其优异的力学性能、耐腐蚀性和生物相容性被广泛应用于核电站、石油钻井平台和医疗植入物。这些复杂精密的钢构件的传统生产和制造方法成本高，耗时长。增材制造(AM)作为一种颠覆性技术出现，提供快速生产能力和广泛的设计自由。选择性激光熔化(SLM)是一种极具发展前景和经济效益的增材制造技术精确构建复杂部件的技术。通过选择性激光熔化制造的316 L不锈钢与传统成型的不锈钢相比，具有卓越的强度和延展性，这是由于其独特的微观结构，如细小的位错细胞，高位错密度和沉淀。由于不同相之间弹性模量和晶格参数不匹配导致的界面强化效应，材料表现出高强度。高延展性归因于较大的滑移传递几何因子，这有利于位错在界面上的传递。然而，SLM也引入了高残余应力和非平衡微结构，可能会损害材料的性能。这些都是推进AM技术的关键问题。

近年来，在研究热处理对增材制造不锈钢(AM - SS)显微组织和力学性能的影响方面取得了重大进展。控制SLM金属和合金的加热和冷却的热处理可以通过位错迁移、纳米沉淀、复杂的细胞微观结构和亚晶粒来抵消这些问题。锻造或冷轧的传统热处理方法可能不适合主要表现出许多位错细胞的SLM合金，尽管可以增强其性能。AM SS的强度主要由三个因素决定:位错、晶界(GB)和位错胞结构。这些因素都受到细胞壁内高密度缠结位错的影响，它们往往会解离并形成更宽的层错(SFs)。影响面心立方结构材料力学性能的另一个重要因素是原子尺度上的组分变化。例如，以Cr/Mo偏析和捕获位错为特征的细胞亚结构可以提高材料的屈服强度。这种偏析还会产生局部应力场，阻碍位错运动并改变局部层错能(SFE)，从而通过断裂和位错单元细化影响变形机制。此外，SLM-ed 316 L SS中奥氏体相的热稳定性与其凝固胞状组织密切相关。位错胞稳定性从500◦C变化到800◦C，导致不同的力学性能和相组成。

退火通常会导致金属和合金由于晶粒生长和位错密度的降低而软化。晶粒尺寸是多晶材料强化的关键因素。这受到诸如GB迁移/扩散、原子变换和晶粒旋转/聚结等现象的影响。此外，SLM合金中预先存在的缺陷，包括溶质偏析、位错和细胞亚结构，会影响GB行为、强度和延展性。与传统的退火软化效果不同，一些金属和合金在退火后硬化，这发生在特定条件下，如亚微米或纳米尺度、滑动摩擦处理、冷轧和等通道角压，然后退火。

在本研究中，中山大学吕金龙团队研究了研究SLM-ed 316lss在热处理后的硬化和变形机制。本研究了位错、gb和其他组织对SLM-ed 316l SS退火后硬度和强度的影响，并用实验数据证实了这些发现。采用扫描电子显微镜(SEM)、能量色散x射线光谱(EDS)、电子背散射衍射(EBSD)、扫描透射电子显微镜(STEM)、微压痕和拉伸测试等多种技术对SLM-ed 316L SS和热处理样品进行了表征和测试。最后，本研究阐明了SLM-ed 316L不锈钢退火引起的硬化和变形机制。

相关研究成果以“New insights into annealing induced hardening and deformation mechanisms in a selective laser melting austenitic stainless steel 316L”发表在International Journal of Plasticity上

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0749641924001359?via%3Dihub

图1 (a) SLM制造的316l SS示意图 (b)印刷战略示意图

图2 (a) SLM处理316 L SS样品的OM图 (b)拉伸试验所用试样的尺寸

图9 (a)不同退火温度和退火时间下，SLM-ed 316l SS和样品的二维显微硬度分布图

图11 316lss及退火试样的拉伸性能和显微硬度 (a)印制316lss材料在不同温度下分别退火8h后的工程塑性应变-总伸长曲线 (b)科技增加值及科技增加值统计数字的变化 (c) YS0.2和HV3随退火温度的统计 (d)各种316 L SS的平均屈服应力值与平均均匀延伸值的总结

图14 在强度模型的基础上，计算了不同强度因子的贡献率

图18 (a-b)打印后316 L SS (C - d) 500◦C退火试样在不同应变水平下的变形组织演变示意图

综上所述，研究了退火对选择性激光熔化316l不锈钢(SLM-ed 316l SS)硬化行为和变形机理的影响。主要研究结果如下:SLM-ed 316l SS在相对较低的退火温度(500℃)下表现出异常硬化，没有事先冷轧或严重的塑性变形。这种现象应该是由于两个主要因素。首先，由纳米粒子装饰的独特的护栏状位错壁明显阻碍了位错的运动。这导致位错的积累和重排，形成新的低角度晶界(LAGBs)。此外，该结构与LAGBs之间的相互作用可以协同提高材料的强度。退火后的316lss的平均几何必要位错(GNDave)密度增加，但总的位错密度没有显著变化。因此，我们有理由认为，纳米颗粒修饰的“护栏状位错壁”在500◦C退火后的异常硬化中起着至关重要的作用。结果表明:500◦C退火试样的高屈服应力受纳米颗粒锁住的护栏状位错壁和柱状晶体稳定构型的协同作用影响。此外，这种位错壁结构可以触发混合强化机制，导致变形过程中跨尺度亚结构的形成和塑性应变分配，从而导致应变硬化。位错运动主要支配退火试样的变形过程。此外，900◦C退火样品克服了强度-延性权衡，这可能是由于变形过程中的高GNDave密度和部分LAGBs。