图文摘要:
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增材制造（AM）技术近年来在材料科学中得到了广泛应用，尤其是在制造复杂几何形状的高性能材料方面。其中，马氏体钢作为一种低碳钢，因其时效处理后能获得超高强度（超过2 GPa）而闻名。然而，AM技术制造的马氏体钢由于其独特的微观结构，如熔池边界和板条马氏体，在拉伸、压缩和变形行为上的表现与传统制造方法存在显著差异。因此，揭示微观其结构特征与力学性能之间的关系对于优化该材料的增材制造工艺具有重要意义。基于此，新加坡科学技术研究局Jakub Mikula等人建立了双相多晶体塑性有限元模型（DP-CPFEM），揭示了增材制造马氏体钢的微观结构特征与力学性能的内在联系。该研究采用了代表性体积元（RVE）方法，模拟了基于不同处理条件的微观结构，并分析了材料的变形行为、织构演化、拉伸-压缩不对称性以及位错密度演化。作者首先通过Potts Monte Carlo方法和晶粒分割技术，生成了熔池边界、奥氏体晶粒、板条马氏体包和区块的复杂微观结构，并结合Kurdjumov–Sachs取向关系（K-S），重建了增材制造马氏体钢的RVE。随后，基于有限变形Lagrangian框架，作者等人开发了一种适用于bcc和fcc相的晶体塑性模型，模型结合了非Schmid效应、位错强化以及Hall-Petch强化等特点，能够捕捉位错滑移、剪切带形成和应变硬化等现象。最后，对比了原始增材制造样品与经过热处理后的样品的力学性能，通过模拟实验探讨了不同微观结构下的位错密度演化、拉伸-压缩不对称性以及织构演化等现象。结果表明，增材制造马氏体钢中板条马氏体结构是力学性能的关键因素，微观结构的分级特征显著影响了材料的强度和延展性。同时，位错密度倾向于在块体边界附近和奥氏体-马氏体界面附近，特别是在奥氏体体积分数较大的情况下。而不同的工艺条件也揭示了原始增材制造样品中的位错密度较高，而热处理后的样品中位错密度降低，但材料的塑性变形能力显著增强的现象。这项研究为马氏体钢在增材制造中的优化提供了理论依据，也为未来进一步开发高性能金属材料提供了新思路。![]()
图1 Takata等人(2018)通过选择性激光熔化（SLM）技术制造的马氏体钢显微结构实验观察：(a)熔池边界，(b)沿熔池边界的细小奥氏体晶粒，(c)板条马氏体微观结构。
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图2 晶粒、组和块的代表性体积元（RVE），每个集群随机分配了唯一索引。
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图3 基于给定工艺参数的熔池及其边界的合成代表性体积元（RVE），构建方向沿z轴。
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图4 带有Kurdjumov–Sachs取向关系的板条马氏体RVE，熔池边界沿着构建方向分布着少量⟨001⟩取向的奥氏体晶粒。RVE 的物理尺寸为2003μm3，结构化有限元网格包含1283元素。
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图5 基于模拟预测获得的工程应力-应变曲线。
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图6 不同变形水平下的Von-Mises应力分布。
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图7 不同变形水平下的总位错密度分布。
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图8 RVE在10%压缩工程应变下的Von-Mises应力和总位错密度的分布。
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图9 工程应力-应变曲线，展示了由非平面位错核效应引起的拉伸-压缩不对称性。
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图10不同奥氏体相体积分数fγ的轮廓图，其中回火奥氏体从熔池边界的小奥氏体晶粒处开始生长。
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图11 含20%奥氏体相的RVE在10%应变下的Von-Mises应力、总位错密度和晶格取向分布。其中熔池边界清晰可见，表现为应力较低、位错密度相对较高并具有⟨001⟩晶格取向的区域。
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图12 不同奥氏体体积分数下的工程应力-应变曲线（无析出物），子图展示了应力-应变曲线的应变硬化行为。
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图13 不同奥氏体体积分数fγ [%]、析出物体积分数fr [%]以及析出物尺寸r [nm]下的工程应力-应变曲线。
相关研究成果以“Dual-phase polycrystalline crystal plasticity
model revealing the relationship between microstructural characteristics and
mechanical properties in additively manufactured maraging steel”为题发表在International Journal of Plasticity上（Volume 180, September 2024, Article Number 104058），论文第一作者和通讯作者均为Jakub Mikula。论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2024.104058
