热门标签-网站地图-注册-登陆 手机版:m.3ddayin.net 3D打印网,中国3D打印行业门户网!
当前位置:主页 > 3D打印材料 > 新材料 > 正文

武汉理工陈斐课题组:激光工程净成形马氏体/奥氏体功能梯度材料的制造及力学性能(2)

时间:2022-04-29 11:37 来源:江苏激光联盟 作者:admin 阅读:
极光尔沃

3.2.MSS/ASS功能梯度材料的显微组织和相析出
图5 显示了每个区域沉积态MSS/ASS功能梯度材料构建方向上的XRD衍射峰(如所示图2(b))。(110)、(200)和(211)面是马氏体的典型峰,而(111)、(200)、(220)和(311)是奥氏体。虽然形成了一个完整地马氏体微观结构是预期的,值得注意的是,100% MSS区域显示了主要的马氏体相分布,带有少量奥氏体,这与相关研究一致。本研究中制造的MSS/ ASS功能梯度材料揭示了大量体积分数的其他微成分,即残余奥氏体,这是由于材料在AM工艺中连续加热和冷却循环期间经历了复杂的热场。先前已在添加制造的420 MSS零件的微观结构中报告了残余奥氏体和其他相的形成。随着奥氏体成分的增加,可以观察到马氏体峰强度的下降。如所示,100% ASS的主要相分布是奥氏体,以及少量的α-铁素体相。
图6 显示了从在环境温度下制造的MSS/ASS功能梯度材料的不同区域获得的SEM图像从侧视图(沿建筑方向)准备。如同展出于图6(a)观察到,在100% ASS区,以奥氏体嵌入薄带铁素体沉淀为主的显微组织。微观结构特征包括铁素体,并表明铁素体向奥氏体型转变。铁素体到奥氏体的转变导致骨架铁素体和板条形态中的SEM图像。图6(b)揭示了25% MSS+75% ASS区域在奥氏体基体中包含铁素体以及少量胞状结构。如所示图6(c)50% MSS+50% ASS区域的形态非常不同,大量的胞状结构沉淀在样品表面上,分散在奥氏体相周围。在75% MSS +25% ASS的范围内,形态以板条马氏体结构为主,在马氏体结构中嵌入了一些胞状结构,可如图6(d)。由于冷却速度快,在100%MSS区域形成了相对较细的板条马氏体结构,如所示图 6(e)。


图8.不同质量分数区域的MSS/ASS功能梯度材料的元素分布

MSS/ASS功能梯度材料中残余奥氏体和铁素体的形成对其力学性能具有重要意义。由于加热循环的过程,发生了相变。在凝固过程中,由于扩散过程,奥氏体需要时间形成。多次加热循环会导致严重的热量积聚,因此,在制造过程中有可能形成回复奥氏体。S. Shamsdini等人之前的研究中显示粉末颗粒由7.4%的奥氏体部分组成,通过添加制造工艺降低到4.6~5.1%。这也与Jagle等人的相关研究相一致。表明加热循环导致低体积的奥氏体形成。由于不同层的冷却速率不同,铁素体含量和形态多种多样。在冷却速度较慢的顶层,铁素体由大量的骨架铁素体组成。相变现象显示出与图中所示的XRD结果很好的一致性,如图 5。

在图 7(aeb)里,值得注意的是Cr似乎完全且均匀地覆盖铁素体枝晶。

在相关研究中,Cr23C6碳化物的存在归因于铬的存在。据报道,Cr23C6在300系列不锈钢中的奥氏体-铁素体相界面或奥氏体晶界处析出,并且具有从几百纳米到几微米的尺寸,在边界处均匀分布。在图 7(ce)中,没有发现明显的铁素体沉淀,元素分布均匀。为了量化铁、铬和镍的含量,用重量百分比表示,如所示图8。铁、铬和镍的检测在整个MSS/ASS FGMs中进行。元素检测区域对应于具有不同成分的区域,如所示图7。在100% MSS区,Fe、Cr和Ni的体积分数分别为75.8%、15.9%和5.8%。在100% ASS区,Fe的体积分数降低到66.0%,而Cr和Ni的体积分数分别增加到19.3%和11.7%。在从100% MSS到100% ASS的转变过程中,Fe的含量逐渐降低,而Cr和Ni的含量随着体积的平稳而增加。

图9 显示了沿构建方向沉积的MSS/ASS功能梯度材料的EBSD图和粒度分布,所有样品都没有明显的择优取向。它清楚地显示了从MSS侧到ASS侧晶粒尺寸的剧烈变化。在图. 9(ae)中,观察到透镜产生的材料沿构建方向有轻微拉长的U形晶粒。在图9(a)和图9(b)在奥氏体占优势的区域可以观察到大晶粒。50% MSS +50% ASS区域是晶粒尺寸开始如图 9(c)所示增长。在图9(e)和(d)里,值得注意的是这两个区域的晶粒为细晶粒,具有等轴晶粒形态,表明晶粒生长现象从100% MSS过渡到100% ASS。材料的强度随着晶粒尺寸的增大而降低。从图 10中,它清楚地显示了从ASS侧到MSS侧的明显的相位变化。EBSD相图显示100% ASS中的主要相是奥氏体,如所示图 10(a)。在图 10(bec),从75% MSS+25% ASS区的主要奥氏体到两相区有一个过渡奥氏体和马氏体在50% MSS+50% ASS区域。在图 10(d)随着MSS的增加,马氏体变为初生相,并伴有少量奥氏体。这是值得注意的是,在100% MSS区域可以清楚地观察到残留的奥氏体,如图 10(e)所示。


图9.不同质量分数区域MSS/ASS功能梯度材料的IPF图和粒度分布:(a) 100% ASS,(b)75% ASS +25% MSS,(c) 50% MSS +50% ASS,(d) 75% MSS +25% ASS,(e) 100% MSS。


图10 .不同质量分数区域的MSS/ASS功能梯度材料的相分布:(a) 100% ASS,(b) 75% ASS +25% MSS,(c) 50% MSS +50% ASS,(d) 75% MSS +25% ASS,(e) 100% MSS。

3.3.MSS/ ASS功能梯度材料的力学性能和断口形貌

图 11显示了MSS/ASS功能梯度材料横截面的显微硬度结果。沉积样品在100% MSS侧具有358 HV的最大硬度。原因可能是由于FGM结构的梯度区域中的等轴晶粒结构的晶粒尺寸更细也可以由EBSD的结果直接表现出来,如图 9(e)。随着ASS的增加,MSS/ASS梯度材料的硬度相应降低。在100% ASS侧观察到试样的最小硬度范围为170-190 HV。显微硬度结果与奥氏体的增加有关。随着奥氏体的增加,会形成晶粒长大区。晶粒生长区类似于粗晶粒热影响区。在热影响区,发现了一种典型的软化现象,这在低碳钢焊接中很常见。一般来说,从100% MSS侧到100%ASS侧,随着奥氏体的增加,硬度几乎立即开始降低。


图11.MSS/ASS功能梯度材料横截面的显微硬度分布图。

图12 分别显示了MSS、ASS和MSS/ASS功能梯度材料试样的拉伸应力-应变曲线。在这种情况下,构建和拉伸方向是一致的。如所示图12,MSS样品具有大约1173 MPa的抗拉强度和14%的伸长率。ASS试样具有542 MPa的抗拉强度和29.5%的伸长率,类似于通过DED存放ASS的相关研究。沉积态MSS/ASS FGMs样品具有669 MPa的抗拉强度和19%的伸长率。显而易见,图11与ASS试样相比,MSS/ASS FGMs试样的强度提高了127 MPa。此外,与MSS试样相比,MSS/ASS FGMs试样的延性提高了35.7%。

图12. MSS试样、ASS试样和MSS/ASS FGMs试样的拉伸应力-应变曲线。

图13.沉积样品的拉伸断裂形貌:(a) 100% MSS, (b) 100% ASS, (c) MSS/ASS FGMs。
图14. 拉伸测试的MSS/ASS FGMs样品在断裂区域的凝固路径

4.结论

在这项研究中,使用激光工程净成形(LENS)系统,通过90度在每层旋转和平行刀具路径策略,在SS304L基板上成功制造了马氏体不锈钢(MSS)/奥氏体不锈钢(ASS)功能梯度材料(FGMs)。通过对沉积态MSS/ASS功能梯度材料的机加工试样进行显微组织和力学性能测试。此外,基于Calphad的沙伊尔-格利佛模型用于预测破坏区域的阶段形成。基于热力学模型和实验结果,在100% ASS侧,凝固开始于从液体中析出α-铁素体,并在奥氏体转变后结束,100% ASS区域的最终微观结构由奥氏体基体中的α-铁素体组成。沉积态MSS/ASS FGMs试样的极限抗拉强度(抗拉强度)提高到669 MPa,伸长率分别为19%。与沉积态的MSS试样相比,其延伸率提高了35.7%。此外,沉积态试样的抗拉强度提高了127 MPa,抗拉强度为542 MPa。MSS/ASS功能梯度材料试样拉伸试验中的失效位置是100% ASS区域。这也归因于100% ASS区域中的晶粒生长和最小硬度。铁素体相作为位错运动的阻碍因素,并导致沉积态MSS/ASS功能梯度材料的延性降低。


图15 多晶结构的设计及其一个具体的应该案例,以上这种是传统工艺无法实现或者很难实现的

文章来源:Additive manufacturing and mechanical properties of martensite/austenite functionally graded materials by laser engineered net shaping,Journal of Materials Research and TechnologyVolume 17, March–April 2022, Pages 1570-1581,https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.01.111
参考资料:www.sheffield.ac.uk/materials和metal-AM;
Additive manufacturing of functionally graded metallic materials: A review of experimental and numerical studies,Journal of Materials Research and Technology,Volume 13, July–August 2021, Pages 1628-1664,https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.05.022

(责任编辑:admin)

weixin