在单轴拉伸作用下，增材制造的不锈钢中由多尺度变形引起的表面图案

《Mechanics of Materials》：Multiscale deformation-induced surface pattern in additively manufactured stainless steel under uniaxial tension

激光粉末床熔融316L不锈钢单轴拉伸多尺度表面粗糙化机制研究，通过实验与数值模拟揭示微观滑移、介观晶粒结构及宏观激光轨迹对表面粗糙化的协同作用，发现介观尺度表面起伏主导整体粗糙化演变。

　　

瓦尔瓦拉·罗曼诺娃（Varvara Romanova）| 马克西姆·皮萨列夫（Maxim Pisarev）| 德米特里·利恰金（Dmitry Lychagin）| 叶夫根尼娅·埃梅利亚诺娃（Evgeniya Emelianova）| 谢尔盖·福尔图纳（Sergey Fortuna）| 瓦迪姆·穆欣（Vadim Mukhin）| 瓦西里·巴洛霍诺夫（Vasiliy Balokhonov）| 鲁斯兰·巴洛霍诺夫（Ruslan Balokhonov）

俄罗斯科学院强度物理与材料科学研究所，俄罗斯托木斯克市634055

摘要：

本文通过实验和数值模拟方法研究了在单轴拉伸作用下，增材制造的316L钢样品因变形而产生的表面粗糙度的多尺度特征。研究发现，由不同变形机制引起的一系列多尺度粗糙度在塑性变形初期就已出现，并在拉伸过程中逐渐发展。利用实验、数值分析和统计分析相结合的方法，建立了变形引起的表面形态与激光粉末床熔融（LPBF）工艺所固有的层次化材料结构之间的联系。在整个变形过程中，由周期性晶粒结构引起的介观尺度表面波动对表面粗糙度的贡献最大。本文还探讨并分析了沿激光轨迹和垂直于激光轨迹方向的变形模式差异。

引言

奥氏体不锈钢316L因其优异的机械性能（如高强度、延展性、耐磨性和耐腐蚀性等）而在许多工业应用中备受关注。金属增材制造（AM）为快速高效地生产具有这些优良性能的复杂形状钢部件提供了新的途径。

大量实验和理论研究表明，正是LPBF工艺特有的微观结构使得3D打印钢部件具有出色的性能。由于高能激光源的多次局部熔化、重熔和加热作用，LPBF钢形成了与其锻造对应材料截然不同的复杂层次结构。微观、介观和宏观尺度上的独特结构特征主要归因于：（i）在极高温差下的定向凝固；（ii）逐轨迹、逐层构建金属部件的过程。后者导致了结构形态在构建方向（BD）、扫描方向（SD）和横向（TD）上的各向异性，从而产生了各向异性的机械性能。

微观尺度上的特征表现为晶内亚结构，这些亚结构由直径数百纳米的管状位错单元组成。尽管控制位错单元形成的因素仍存在争议（参见相关文献），但大多数研究者认为正是这种位错亚结构赋予了LPBF 316L钢优异的机械性能。

LPBF钢的介观结构通常表现为通过多层生长的强纹理柱状晶粒。研究表明，这些定向依赖的晶粒特征对打印部件的各向异性变形响应起着关键作用。

另一个影响LPBF钢变形行为的因素是宏观尺度上的激光轨迹，这些轨迹可被视为特定的结构元素。轨迹的几何形状和相对位置受多种LPBF参数的控制，包括激光功率、光源速度、粉末厚度以及后续构建层中的扫描路径。

LPBF金属的层次化结构可能引发与其铸造或锻造对应材料不同的变形机制，这使得理解增材制造部件的变形行为变得复杂。尽管过去十年间已有大量关于LPBF 316L的实验和数值研究，但许多与结构相关的变形方面仍不甚明了。

本文旨在建立LPBF 316L样品的变形特征与其层次化微观结构之间的联系，重点研究在单轴拉伸作用下的多尺度变形引起的表面粗糙化（DISR）现象。作为金属变形的一个固有现象，DISR源于多尺度材料结构所导致的复杂应力-应变状态。关于微观结构特征及相关粗糙化机制的大量实验和数值研究已在相关文献中进行了总结。

在最微观尺度上，变形引起的表面粗糙度与位错活动和滑移步骤有关。单滑移系统的激活会导致均匀分布的滑移带，形成持久的晶内表面台阶；而波状滑移则由多个滑移系统的激活和交叉滑移机制共同作用引起，从而实现晶内应变的重新分布，使表面更加光滑。

在晶粒尺度上，表面粗糙度通常分为“橘皮状”和“带状”两种类型。“橘皮状”粗糙度与单个晶粒的垂直于晶面的位移有关，而“带状”粗糙度（如脊状、绳状等）则是晶粒簇的协同运动结果。

在宏观尺度上，表面形态以与样品尺寸相当的波长为特征。在塑性变形的金属中，肉眼可见的宏观颈缩现象通常先于部件失效发生。

有研究将塑性变形过程中出现的多尺度表面粗糙度视为不同尺度上变形机制共同作用的结果。另有研究对LPBF铝合金在压缩条件下的多尺度表面粗糙度进行了分析，发现表面形态的变化反映了多种变形机制的协同作用。

据我们所知，目前尚未有关于其他LPBF金属变形引起的表面粗糙度特性的研究。本文通过实验和数值模拟方法研究了LPBF 316L样品在单轴拉伸作用下的表面变形特征。研究的重点在于介观尺度上的粗糙化现象，这种粗糙化对塑性变形过程中的整体表面形态变化起主导作用，并与微观结构和晶体织构密切相关。因此，数值建模主要用于探讨LPBF制备的层次化微观结构的介观尺度变形响应。由于计算域尺寸的限制，该模型并不旨在再现宏观表面形态，而是用于分析晶粒内部及激光轨迹之间的局部应力-应变状态，以及这些状态如何导致介观尺度的表面波动。

本文的结构如下：第2节详细介绍了样品制备、微观结构表征和机械测试的实验过程；第3节提供了微观结构和机械性能的实验数据，这些数据被用于第4节中构建考虑晶粒结构的晶体塑性有限元（CPFE）模型；第5节分析了LPBF钢样品在单轴拉伸作用下的多尺度变形模式，特别关注了介观尺度上的表面粗糙化及其与晶粒结构的关联。主要研究结果在结论部分进行了简要总结。

实验细节

样品打印

使用粒径分布为D₁₀=18.99 μm、D₅₀=32.65 μm、D₉₀=52.77 μm的气雾化316L不锈钢粉末，在俄罗斯莫斯科的ONSINT AM150激光粉末床打印机上进行了打印。粉末的化学成分见表1。

打印了一组尺寸为10×10×10 mm³的立方体样品，采用之字形扫描策略，即激光束在每一层中来回移动以形成轨迹重叠的图案。LPBF材料的一个常见缺点是具有较高的孔隙率。

LPBF 316L的层次化结构

EBSD分析结合SEM和光学显微镜提供了关于晶粒结构和轨迹几何形状的全面信息（见图2）。图2a-f展示了三个相互垂直的样品截面的EBSD图和金相图像。

蚀刻后的金相图像中，轨迹边界清晰可见（见图2d-f）。在垂直于某一方向的侧面上，部分重叠的轨迹形成了类似鱼鳞状的图案。

晶体塑性有限元（CPFE）模型

利用EBSD数据构建了一个明确包含LPBF 316L晶粒结构的三维有限元模型（见图5a,b）。首先将EBSD扫描坐标和相应的欧拉角度映射到一个600×600 μm²的2D体素模型上，然后在第三方向上平移115 μm。这种简化基于实验观察到的柱状晶粒在多层中的外延生长现象，目前被认为是合理的。

表面轮廓的演变

在样品中心线不同距离（1.5 mm）处测量了一系列表面轮廓（见图6a和b中的紫红色和浅蓝色线条）。接触式轮廓仪沿直线测量路径采集数据，并在测量段的相同参考点之间进行连续记录。需要注意的是，在拉伸变形过程中，样品的测量段会发生轻微变形。

结论

本文通过实验和数值模拟方法研究了LPBF 316L钢样品在单轴拉伸作用下的多尺度变形引起的表面粗糙度特征。研究的主要发现如下：

i.

单轴加载下的LPBF钢样品表面粗糙度由多种不同变形机制引起的多尺度粗糙度组成。这些粗糙度在塑性变形初期就已出现，并在拉伸过程中逐渐发展。

作者贡献声明

马克西姆·皮萨列夫（Maxim Pisarev）：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、软件开发、实验设计、数据分析。

瓦尔瓦拉·罗曼诺娃（Varvara Romanova）：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、项目监督、方法论设计、资金筹措、数据分析、概念构思。

鲁斯兰·巴洛霍诺夫（Ruslan Balokhonov）：撰写、审稿与编辑、方法论设计、资金筹措、概念构思。

瓦西里·巴洛霍诺夫（Vasiliy Balokhonov）：数据可视化、软件开发、实验设计。

资助

本研究是在俄罗斯科学院ISPMS的政府研究项目FWRW-2026-0003的支持下完成的。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究使用了“Nanotech”（ISPMS SB RAS）和“自然系统地球化学分析中心”（NR TSU）的设备进行。