激光增材制造316L不锈钢的显微组织与力学性能研究

论文摘要

传统316L不锈钢由于强度较低、制备周期长、无法直接制备复杂零件等缺点在现代工业的很多复杂工况下使用受到了限制。而增材制造技术由于其较短的制备周期、极高的制备自由度与成型件较好的组织性能恰好弥补了传统不锈钢材料的不足。目前增材制造316L不锈钢的研究主要集中在材料粉末特性和激光加工参数对性能的影响,但其微观结构演变、塑性变形机理与强化机理的一体化研究仍较少,极大地限制了增材制造316L不锈钢作为结构件在工程领域的广泛应用。针对上述研究背景,本文研究了增材制造316L不锈钢显微组织形貌与力学性能,并与传统方式制备的316L不锈钢的力学性能进行对比,研究了材料的成形机制、强化和塑性变形机理,并结合多尺度仿真进行了进一步探究。首先,通过实验方法对材料进行了元素组成、相结构、显微组织表征等研究,观察并分析了各尺度微观形貌特征与材料缺陷。研究结果表明:成形材料中的各个元素分布均匀,由单一奥氏体相组成,相结构组成受到冷却速率与元素组成的共同影响。材料熔池形貌尺寸与边界搭接方式受到工艺参数与扫描方式影响。材料晶粒在堆叠平面与扫描平面展现出了完全不同的形貌与取向织构规律。晶粒内部嵌套了与晶粒生长方向有一定偏差位错胞结构。然后,通过实验测试了成型试样的硬度、拉伸和疲劳加工性能,表征了试件拉伸断裂后的组织形貌,并结合强化理论研究了材料的加工硬化、强化与塑性变形机理,推导出了嵌套结构屈服强度与临界均匀应变的理论公式。研究结果表明:增材制造316L不锈钢硬度为288HV,堆叠方向硬度分布与均值与扫描方向略有不同。试样在扫描方向上的屈服强度为568.2MPa,断后伸长率为43.1%;增材制造316L不锈钢相比传统316L不锈钢硬度与屈服强度分别高出100%和50%,延展性也并未降低;断后组织中存在位错胞边界溶质原子的析出、变形孪晶生成、晶粒粗化等现象;经过低周疲劳加工后,试样拉伸强度得到提高但塑性减弱。最后,在介观上使用晶体塑性有限元模拟方法,微观上使用分子动力学模拟方法对增材制造316L不锈钢进行了拉伸模拟,进一步探究材料的变形与强化机理。研究结果表明:拉伸过程中各个位错胞承受的应力与应变不均匀,产生了应变梯度强化效应,从而增加了材料强度;材料符合屈服强度与延展性权衡的规律,但位错胞尺寸低于80nm时,屈服强度不再随着位错胞尺寸减小而增加;增材制造316L不锈钢的嵌套结构易阻碍位错的运动,使得位错在边界处积累,从而发生裂纹萌生或塑性变形。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题研究背景和意义
•   1.2 增材制造技术的简介
•   1.3 增材制造不锈钢材料的国内外研究概况
•   1.4 本文的主要研究内容与创新点
• 第2章 材料制备与研究方法
•   2.1 实验材料的制备
•     2.1.1 材料粉末的制备
•     2.1.2 增材制造成形设备
•     2.1.3 工艺参数的选择
•     2.1.4 制备方法
•   2.2 组织表征方法
•     2.2.1 样品制备及光学显微镜分析
•     2.2.2 扫描电子显微镜及能谱镜分析
•     2.2.3 透射电子显微镜分析
•   2.3 力学性能实验方法
•     2.3.1 维式硬度测试
•     2.3.2 拉伸性能测试
•     2.3.3 疲劳加工性能测试
•   2.4 晶体塑性有限元模拟方法
•   2.5 分子动力学模拟方法
• 第3章 激光增材制造316L不锈钢相组成与显微组织研究
•   3.1 引言
•   3.2 316 L不锈钢元素及相组成研究
•   3.3 316 L不锈钢微观组织结构研究
•     3.3.1 熔池的形貌分析研究
•     3.3.2 晶粒及晶粒内位错胞结构研究
•     3.3.3 缺陷及其形成研究
•   3.4 本章小结
• 第4章 激光增材制造316L不锈钢力学性能研究
•   4.1 引言
•   4.2 维氏硬度研究
•   4.3 拉伸性能研究
•     4.3.1 拉伸性能的实验研究
•     4.3.2 拉伸性能的理论研究
•   4.4 疲劳加工性能研究
•   4.5 本章小结
• 第5章 激光增材制造316L不锈钢塑性变形机理的多尺度模拟研究
•   5.1 引言
•   5.2 晶体塑性有限元模拟
•     5.2.1 模拟模型建立与相关设置
•     5.2.2 模拟结果及讨论
•   5.3 分子动力学模拟
•     5.3.1 模拟模型建立与参数设置
•     5.3.2 广义堆垛层错能模拟分析
•     5.3.3 位错胞尺寸对拉伸模拟结果的影响
•     5.3.4 拉伸微结构演变及分析
•   5.4 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读硕士学位期间发表的学术论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 易明

导师: 方棋洪

关键词: 增材制造,不锈钢,力学性能,显微组织,有限元,分子动力学

来源: 湖南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,金属学及金属工艺,金属学及金属工艺,无线电电子学

单位: 湖南大学

基金: 方棋洪教授参与主持的国家重点研发计划(Grant No.2016YFB0700300):高通量块体材料制备新方法,新技术与新装备,2016.7-2020.12,国家自然基金面上项目“基于高通量实验与机器学习的纳米析出相增强高熵合金的成分设计及强韧化机制研究”(51871092)

分类号: TG665;TN249;TG142.71

DOI: 10.27135/d.cnki.ghudu.2019.002355

总页数: 74

文件大小: 6673K

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