应变诱导的马氏体转变及其对增材制造的AISI 316L奥氏体不锈钢力学性能的影响

研究比较了选择性激光熔化（SLM）制造的AISI 316L不锈钢与传统退火态样品的应变诱导马氏体相变及力学性能。发现SLM样品因高冷速和热梯度导致更多位错，其屈服强度和抗拉强度更高，且冷轧后α'马氏体体积分数和位错密度显著高于传统样品， Olson-Cohen模型证实初始显微结构对相变动力学有显著影响，XRD和硬度测试验证了冷轧与SLM工艺协同增强材料性能。

　　

Nasim Maboudi Far | Rouhollah Mehdinavaz Aghdam | Hamed Mirzadeh | Farid Gharibi Asl | Arian Najjari

德黑兰大学工程学院冶金与材料工程系，德黑兰，伊朗

摘要

本研究探讨了通过粉末床熔融（PBF）技术（也称为选择性激光熔化（SLM）制造的AISI 316L奥氏体不锈钢在应变诱导下的马氏体转变及其机械性能，并将其与传统退火处理的样品进行了比较。在相似的晶粒尺寸下，观察到SLM制备样品的屈服强度和抗拉强度均高于传统退火样品，这归因于SLM过程中快速凝固导致的高位错密度。为了研究制造工艺对应变诱导马氏体转变的影响，对两种样品进行了不同减厚率（15%至75%）的冷轧处理。冷轧促进了变形奥氏体基体中α′-马氏体的形成，类似于具有转变诱导塑性效应的先进高强度钢，其中SLM样品的马氏体体积分数和位错密度均高于传统退火样品。Olson–Cohen模型动力学分析表明，SLM样品的初始微观结构促进了马氏体转变。基于X射线衍射（XRD）图谱，获得的相对织构系数（RTC）值显示冷轧过程中220型反射明显增强。维氏硬度也随着减厚率的增加而提高，这是由于位错密度和马氏体含量的共同作用，尤其是在SLM样品中这种提高更为显著。

引言

选择性激光熔化（SLM）是一种领先的金属增材制造（AM）技术，它通过逐层熔化金属粉末来实现[[1], [2], [3]]。与传统制造方法相比，SLM简化了生产流程，提供了广泛的设计灵活性，提高了材料的使用效率，并有潜力降低复杂零件的整体制造成本[[4], [5], [6]]。

SLM技术常用于加工如AISI 316L不锈钢[7,8]、Ti–6Al–4V合金[9]、Inconel 718超合金[10]和AlSi10Mg铝合金[11]等材料。与传统的制造方法相比，增材制造技术具有明显优势。在微观结构方面，SLM特有的快速热循环促进了精细微观结构的形成，产生了高位错密度，并影响了材料的机械性能[[12], [13], [14], [15], [16]]。另一方面，众所周知，像AISI 316L这样的亚稳态奥氏体不锈钢在室温下的变形过程中容易发生应变诱导的马氏体转变[[17], [18], [19], [20]]。这与α′-马氏体的形成有关，这种马氏体显著影响了材料的加工硬化行为，从而延缓了颈缩现象并产生了转变诱导的塑性效应[[21], [22], [23]]。这是改善亚稳态合金机械性能的重要方面[[24], [25], [26]]。

与高度亚稳态的AISI 304L不锈钢相比，AISI 316L等级的奥氏体相更为稳定，这与后者较高的堆垛错能（SFE）有关[[27]]。研究表明，AISI 316L不锈钢在拉伸变形过程中几乎不表现出转变诱导的塑性（TRIP）效应；而孪晶诱导的塑性（TWIP）效应是主导因素[[28]]。实际上，在AISI 316L不锈钢的变形样品中，孪晶现象更为普遍。Pham等人[29]指出，尽管存在显著的孔隙率，增材制造的AISI 316L不锈钢仍表现出优异的延展性，其主要原因是3D打印过程中使用了氮气。Yin等人[30]的研究表明，孪晶作用有助于维持理想的应变硬化率，从而获得出色的延展性和高屈服比。

虽然AISI 316L不锈钢在拉伸变形过程中不会发生明显的应变诱导马氏体转变，但在轧制变形过程中这种现象变得明显[[31], [32], [33], [34]]。有报道称，室温轧制可以在AISI 316L不锈钢中诱导大量α′-马氏体，从而显著提高材料的强度[[34,35]]。此外，应变诱导马氏体的逆转变通常用于AISI 316L不锈钢的晶粒细化[[35,36]]。

由于变形微观结构对α′-马氏体的形成起着重要作用[[37], [38], [39], [40]]，因此预计SLM制备的AISI 316L不锈钢的独特微观结构会影响应变诱导的马氏体转变，这需要系统地进行研究。因此，本研究调查了SLM制造的AISI 316L奥氏体不锈钢的应变诱导马氏体转变及其机械性能，并将其与传统退火处理的样品进行了比较，以填补这一研究空白。

材料与加工

本研究使用Noura M120 SLM系统，采用来自GZSLAM（中国）的气雾化球形AISI 316L不锈钢粉末制备样品。图1a展示了初始316L不锈钢粉末的SEM图像，显示出典型的球形形态。图1b显示了粉末的粒径分布，平均粒径为46 μm。如图1c所示，对初始粉末进行了XRD分析

SLM制备样品与传统退火样品的微观结构与机械性能

图2a、b和2c分别展示了SLM处理后316L不锈钢的OM图像、XRD图谱和SEM图像。如图2a和c所示，可以清晰观察到具有特征性蜂窝结构的熔池。这种蜂窝结构常见于SLM制造的部件中，是由于快速冷却导致的非平衡凝固现象。根据其生长方向，这些蜂窝结构可以是等轴的、多边形的或拉长的形状

结论

本研究采用选择性激光熔化工艺制备了AISI 316L不锈钢。同时，也研究了传统退火处理的AISI 316L不锈钢板材。两种样品均进行了15%、30%、45%、60%和75%的减厚冷轧处理。研究得出以下结论：

• (1)
  SLM制备样品和传统退火样品均呈现单相奥氏体微观结构，平均晶粒尺寸为28 ± 4 μm

作者贡献声明

Nasim Maboudi Far：撰写初稿、进行研究、构思。 Rouhollah Mehdinavaz Aghdam：撰写、审稿与编辑、监督、构思。 Hamed Mirzadeh：撰写、审稿与编辑、监督、构思。 Farid Gharibi Asl：进行研究。 Arian Najjari：进行研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。