陳 杰，王克鴻，孔 見(jiàn)，彭 勇，劉 闖，董可偉，汪奇鵬，張先鋒

（1.南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

金屬增材制造技術(shù)作為一種近凈成形加工技術(shù)，是未來(lái)先進(jìn)制造的重要方向。金屬增材制造技術(shù)從能量源上主要可以分為激光、電弧和電子束三類(lèi)。電弧增材制造技術(shù)通過(guò)控制電弧逐層熔覆絲材原料來(lái)制備構(gòu)件，相對(duì)于激光或電子束增材制造技術(shù)具有成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。絕熱剪切是在高應(yīng)變率加載下材料應(yīng)變高度局域化然后發(fā)生斷裂失效的現(xiàn)象，長(zhǎng)期以來(lái)得到學(xué)者廣泛關(guān)注和研究[3]。增材制造構(gòu)件在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中不可避免承受沖擊載荷，故其動(dòng)態(tài)加載下的絕熱剪切變形行為得到越來(lái)越多的關(guān)注。Wang 等[4]研究了激光增材制造Ti-6Al-4V 的動(dòng)態(tài)加載絕熱剪切行為，絕熱剪切帶寬度和晶粒細(xì)化程度隨著應(yīng)變率增大而增加。Liu 等[5]研究了激光增材制造TC4 的動(dòng)態(tài)加載變形行為，其剪切帶內(nèi)組織形貌以及位向關(guān)系為理解絕熱剪切行為提供了很好的參考。Yao 等[6]發(fā)現(xiàn)后續(xù)熱處理會(huì)增加激光增材制造Ti-6Al-4V 的絕熱剪切敏感性，不同加載條件下絕熱剪切帶內(nèi)的微觀(guān)組織存在差異。李小龍等[7]選取激光定向能量沉積 GH4169 的雙剪切試樣進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載，研究發(fā)現(xiàn)GH4169 沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的動(dòng)態(tài)各向異性，但增材制造初始微觀(guān)缺陷會(huì)對(duì)剪切變形斷裂產(chǎn)生影響，絕熱剪切斷口韌窩尺寸和深度隨著應(yīng)變率升高而減小。Asala 等[8]研究發(fā)現(xiàn)在相同沖擊加載條件下電弧增材制造ATI 718 Plus 具有比軋制態(tài)更好的全局變形能力和較寬絕熱剪切帶，增材制造過(guò)程中產(chǎn)生的粗晶能夠抑制應(yīng)變局域化。Dehgahi 等[9]研究發(fā)現(xiàn)后續(xù)熱處理會(huì)增加粉末床熔融馬氏體時(shí)效鋼的動(dòng)態(tài)加載絕熱剪切敏感性。

316L 不銹鋼具有良好的耐腐蝕性和力學(xué)性能，增材制造316L 在航空航天、汽車(chē)、海洋裝備等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，因而該材料在沖擊加載下的絕熱剪切損傷得到廣泛關(guān)注。Weaver 等[10]對(duì)比了激光增材制造316L 和傳統(tǒng)軋制316L 的帽形試樣絕熱剪切行為，雖然兩者的剪切應(yīng)力響應(yīng)存在差異，但剪切帶內(nèi)組織的納米壓痕應(yīng)力差異不明顯 。Li 等[11]發(fā)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)加載下激光增材制造316L 的熔池線(xiàn)發(fā)生劇烈演變，位錯(cuò)密度和孿晶密度隨著應(yīng)變率增大而增加，絕熱剪切帶寬度隨著應(yīng)變率增大而變窄。

現(xiàn)有文獻(xiàn)關(guān)于增材制造材料絕熱剪切現(xiàn)象的研究主要集中在宏觀(guān)形貌和斷口分析，剪切帶內(nèi)組織特征深入研究不夠。本文采用分離式霍普金森桿（split Hopkinson pressure bar, SHPB）對(duì)電弧增材制造316L 進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載至絕熱剪切狀態(tài)，并基于此深入分析剪切帶內(nèi)組織的微觀(guān)形貌和位向特征。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

電弧增材制造采用的原材料是直徑為1.2 mm 的316L 不銹鋼絲材，化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：C,0.012%；Si, 0.57%；Mn, 2.18%；S, 0.01%；P, 0.019%；Cr, 18.1%，Ni, 12.7%；Mo, 2.31%；其余為Fe。電弧增材制造系統(tǒng)由Tranpuls Synergic 5000 CMT 焊機(jī)、VR4000 送絲機(jī)構(gòu)、ABB IRB2600 焊接機(jī)器人和控制柜組成。采用循環(huán)往復(fù)路徑制備單壁316L，電源模式是CMT+P，電弧電流為144 A，電弧電壓為19 V，送絲速度為5 m/min，掃描速度為0.06 m/s，保護(hù)氣體為98.5%氬氣+1.5%氧氣。在電弧增材制造的單壁316L 上分別沿沉積方向（building direction, BD）和掃描方向（scanning direction, SD）電火花切取圓柱試樣( ? 4 mm×4 mm)，取樣方向和尺寸如圖1 所示。利用分離式霍普金森壓桿（split Hopkinson pressure bar,SHPB）對(duì)電弧增材制造316L 圓柱試樣在室溫下進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載，裝置的入射桿和透射桿材質(zhì)均為高強(qiáng)度合金鋼，使用氮?dú)鈱?duì)子彈進(jìn)行加壓，加載氣壓約為0.5 MPa。

圖1 電弧增材制造單壁316L 圓柱試樣取樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of how cylindrical arc additively manufactured 316L samples for impact tests were extracted

為研究樣品沖擊加載下絕熱剪切帶（adiabatic shear band, ASB）內(nèi)組織的微觀(guān)形貌和位向特征，對(duì)沖擊后的試樣沿軸向切開(kāi)，采用掃描電鏡（scanning electron microscope, SEM）和電子背散射衍射（electron back scattering diffraction, EBSD）技術(shù)進(jìn)行表征，掃描位置如圖2 所示。此外對(duì)特定微觀(guān)局部變形帶區(qū)域，采用聚焦離子束 （focused-ion-beam, FIB）在指定位置切取薄膜試樣后通過(guò)透射菊池衍射（transmission kikuchi diffraction, TKD）和透射電鏡（transmission electron microscope, TEM）技術(shù)觀(guān)察帶內(nèi)組織。

圖2 電弧增材制造316L 試樣動(dòng)態(tài)壓縮前后的宏觀(guān)照片以及絕熱剪切帶EBSD 掃描位置Fig.2 Macrostructure of untested and incompletely fractured arc additively manufactured 316L samples as well as insert indicating facet of EBSD scanning for ASBs

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 電弧增材制造316L 初始組織

圖3 為電弧增材制造單壁316L 不同視角下的EBSD 反極圖（inverseflame pole figure，IPF），EBSD 掃描步長(zhǎng)為1 μm。本文EBSD 反極圖如無(wú)特殊說(shuō)明，均采用圖3 中的顏色位向標(biāo)識(shí)?？梢钥吹?，從沉積制造方向視角，電弧增材制造316L 由粗大柱狀晶組成，柱狀晶的長(zhǎng)度達(dá)到毫米級(jí)別，不同掃描道次的層間融合狀態(tài)良好；在掃描方向視角，柱狀晶呈現(xiàn)傳統(tǒng)多晶形貌，晶粒尺寸大小在數(shù)百微米。

圖3 電弧增材制造316L 單壁不同視角EBSD 反極圖Fig.3 EBSD IPF maps of as-built arc additively manufactured 316L plate from different planes

增材制造成形過(guò)程中，熔融液態(tài)316L 經(jīng)歷了快速非平衡凝固過(guò)程，凝固速度一般認(rèn)為達(dá)到102～104K/s級(jí)別，隨后進(jìn)入反復(fù)熱循環(huán)模式。凝固過(guò)程中溫度梯度G和生長(zhǎng)速率R共同決定了凝固組織的形態(tài)以及尺寸，隨著G/R比值的減小，凝固方式主要由平面生長(zhǎng)向枝晶生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變。在電弧增材制造過(guò)程中熔融316L 的凝固以枝晶方式生長(zhǎng)為主，柱狀晶的生長(zhǎng)方向與沉積方向即溫度梯度方向基本一致[12]。

2.2 動(dòng)態(tài)加載力學(xué)性能

動(dòng)態(tài)加載實(shí)驗(yàn)中采用的高強(qiáng)度合金鋼壓桿直徑為14.5 mm、長(zhǎng)度為1000 mm。由粘貼在壓桿的應(yīng)變片記錄入射波εi(t)、反射波εr(t)和透射波εt(t)信號(hào)，如圖4 所示，試樣1 和試樣2 分別對(duì)應(yīng)剛開(kāi)始絕熱剪切和充分絕熱剪切的試樣。根據(jù)測(cè)量到的應(yīng)變信號(hào)，計(jì)算樣品的動(dòng)態(tài)應(yīng)力σ、應(yīng)變?chǔ)?和應(yīng)變率[13]：

圖4 動(dòng)態(tài)加載記錄的波形圖和換算的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.4 Recorded wave and corresponding calculated stress-strain curves from dynamic compressions

式中：As和Ls分別為316L 樣品的原始橫截面積和長(zhǎng)度，E、Ab、cb分別為合金壓桿的彈性模量、橫截面積和波速。本文SHPB 實(shí)驗(yàn)所用子彈、透射桿和入射桿的楊氏模量為210 GPa，密度為7.85 g/cm3。圖4(c)和圖4(d)是計(jì)算得到的應(yīng)變率4 700 和5 700 s?1動(dòng)態(tài)加載下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，兩曲線(xiàn)的發(fā)展趨勢(shì)基本一致，開(kāi)始時(shí)流變應(yīng)力隨著應(yīng)變?cè)黾佣杆僭黾?，之后增加速度減小，然后曲線(xiàn)達(dá)到最大應(yīng)力值。應(yīng)變率4 700 s?1動(dòng)態(tài)加載下，試樣中宏觀(guān)絕熱剪切剛開(kāi)始發(fā)生，應(yīng)變硬化主導(dǎo)整個(gè)變形過(guò)程，應(yīng)力隨著應(yīng)變?cè)龃蠖龃?。而在?yīng)變率5 700 s?1動(dòng)態(tài)加載下，試樣到應(yīng)變0.5 時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)呈現(xiàn)短暫的平臺(tái)，這是絕熱剪切熱軟化與應(yīng)變硬化的平衡。

2.3 宏觀(guān)絕熱剪切帶組織

2.3.1 初始宏觀(guān)絕熱剪切帶

將經(jīng)歷應(yīng)變率4700s?1動(dòng)態(tài)加載的、沿掃描方向取樣的試樣1 回收后沿軸向剖開(kāi)，砂紙打磨、電解拋光后采用SEM 和EBSD 可以觀(guān)察到其內(nèi)部存在沿著35°左右方向的初始宏觀(guān)絕熱剪切帶ASB1，如圖5 所示。初始宏觀(guān)絕熱剪切帶貫穿增材制造柱狀晶，但是未見(jiàn)微裂紋。絕熱剪切帶與基體存在明顯的邊界，剪切帶內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變集中導(dǎo)致帶內(nèi)的晶粒細(xì)化。除了宏觀(guān)絕熱剪切帶外，基體中產(chǎn)生許多微觀(guān)局部變形帶來(lái)容納吸收更多應(yīng)變。

圖5 沿著掃描方向的試樣1 在應(yīng)變率4 700 s?1 的動(dòng)態(tài)加載后初始絕熱剪切帶發(fā)展形貌Fig.5 Initial ASB morphologies from 316L sample 1 in scanning direction under dynamic compression at 4 700 s?1

2.3.2 完全發(fā)展宏觀(guān)絕熱剪切帶

應(yīng)變速率5700s?1動(dòng)態(tài)加載的試樣2 回收后沿軸向剖開(kāi)，圖6(a)可以看到宏觀(guān)絕熱剪切帶發(fā)展路徑的整體形貌。兩條宏觀(guān)絕熱剪切帶沿著相似的對(duì)稱(chēng)路徑擴(kuò)展，ASB2 從兩個(gè)壓縮面向中心區(qū)域?qū)ο驍U(kuò)展，而ASB3 則從基體內(nèi)部向兩個(gè)壓縮面擴(kuò)展。從圖6(b)和(c)放大的ASB3 和ASB2 剪切帶區(qū)域EBSD 圖可以看到，帶內(nèi)組織發(fā)生了劇烈塑性變形且伴有裂紋，剪切帶附近晶粒也沿剪切方向發(fā)生拉長(zhǎng)扭曲，此外剪切帶外的基體組織中也有許多微觀(guān)局部變形帶。316L 在動(dòng)態(tài)加載過(guò)程中絕熱剪切帶內(nèi)溫升大、應(yīng)變集中，剪切帶外溫度低、應(yīng)變小，內(nèi)外的溫差大、應(yīng)變差大從而產(chǎn)生附加應(yīng)力，這個(gè)附加應(yīng)力超過(guò)材料強(qiáng)度就會(huì)在絕熱剪切帶內(nèi)產(chǎn)生裂紋從而導(dǎo)致材料失效。圖6 還展示了絕熱剪切帶外基體的EBSD 極圖（pole figure, PF），顯示其具有沿著壓縮方向較強(qiáng)的＜110＞的絲織構(gòu)。Li 等[14]建立了動(dòng)態(tài)熱-力耦合晶體塑性模型，并利用該模型對(duì)Goss 織構(gòu)的面心立方金屬在104s?1的應(yīng)變率下沿著＜110＞方向動(dòng)態(tài)加載壓縮到50%應(yīng)變的應(yīng)變過(guò)程進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示動(dòng)態(tài)加載下面心立方樣品中應(yīng)變和熱場(chǎng)呈現(xiàn)與本文類(lèi)似的35°左右的對(duì)稱(chēng)分布。由此，316L 在動(dòng)態(tài)加載過(guò)程中，應(yīng)變和熱場(chǎng)分布為宏觀(guān)絕熱剪切萌生發(fā)展提供了充分的外在物理?xiàng)l件，這是宏觀(guān)絕熱剪切沿35°方向?qū)ΨQ(chēng)分布的外在原因。

圖6 沿著沉積方向試樣2 在應(yīng)變率5 700 s?1 的動(dòng)態(tài)加載后絕熱剪切帶整體及不同位置形貌Fig.6 Typical morphology of ASBs from 316L sample 2 in building direction under dynamic compression at 5 700 s?1

2.3.3 宏觀(guān)絕熱剪切帶內(nèi)組織形貌與位向關(guān)系

從圖7(a)～(c)可以看到，不同宏觀(guān)絕熱剪切帶內(nèi)的亞晶經(jīng)歷了拉長(zhǎng)、細(xì)化、再結(jié)晶等過(guò)程后呈現(xiàn)的等軸晶形貌，尺寸約為200～300 nm。Zener-Hollomon (Z-H)參數(shù)用于衡量溫度和應(yīng)變率對(duì)金屬材料熱變形行為影響，絕熱剪切帶內(nèi)亞晶再結(jié)晶過(guò)程與等徑角擠壓劇烈塑性變形兩者的Z-H 參數(shù)類(lèi)似，因此本文結(jié)合等徑角擠壓簡(jiǎn)單剪切的理想織構(gòu)來(lái)討論[15]。圖6(a)對(duì)宏觀(guān)絕熱剪切帶的剪切方向（shear direction,SD）、剪切平面法向（normal to shear plane, NSP）進(jìn)行了標(biāo)識(shí)，簡(jiǎn)單切變織構(gòu)特征組分以密勒指數(shù){hkl}＜uvw＞標(biāo)定，其中{hkl}面平行于剪切面（shear plane, SP），＜uvw＞平行于剪切方向，從而建立剪切帶內(nèi)晶粒位向與宏觀(guān)剪切方位的實(shí)際空間意義。Li 等[15]研究了面心立方金屬簡(jiǎn)單剪切的理想織構(gòu)，其成分主要由兩個(gè)部分構(gòu)成：{111}滑移面平行于或接近剪切面的織構(gòu)A1 和A2，A 和 A ，屬于A-fiber，也叫{111}＜uvw＞織構(gòu)或{111}-織構(gòu)；＜110＞滑移方向平行于或接近剪切方向的織構(gòu)B 和 B 以及C，屬于Bfiber，也稱(chēng){hkl}＜110＞織構(gòu)或＜110＞-織構(gòu)。圖7(d)～(f)是不同絕熱剪切帶內(nèi)亞晶反極圖以及位向數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)空間取向分布函數(shù)（orientation distribution function, ODF）。在EBSD 數(shù)據(jù)分析中，采用歐拉空間來(lái)描述晶粒的位向分布，根據(jù)空間幾何中一個(gè)取向需要三個(gè)獨(dú)立變量來(lái)描述，一般習(xí)慣上采用3 個(gè)歐拉角（φ1、Φ、φ2）來(lái)描述一個(gè)取向，圖7(g)是理想剪切織構(gòu)在歐拉空間的典型位置。經(jīng)過(guò)比對(duì)可以看到，不同絕熱剪切帶中亞晶位向存在差異。初始絕熱剪切帶ASB1 中A區(qū)域的晶?？棙?gòu)具有B和B 為主的組分以及少量的A1 和A2 組分，而ASB2 和ASB3 中對(duì)應(yīng)B區(qū)域和C區(qū)域的晶?？棙?gòu)具有A1 和A2 為主的組分以及少量的 B 和B 組分。不同發(fā)展階段的絕熱剪切帶內(nèi)晶粒經(jīng)歷了不同程度的變形，導(dǎo)致了織構(gòu)存在差異，但是均具有與基體一致的沿著壓縮方向＜110＞織構(gòu)。

圖7 不同絕熱剪切帶微區(qū)晶粒EBSD 形貌以及相應(yīng)空間位向圖Fig.7 Multiscale EBSD IPF maps of different ASBs and corresponding calculated ODF maps from sub-grain orientation data

2.4 微觀(guān)局部變形帶組織

電弧增材制造316L 試樣動(dòng)態(tài)加載后，除出現(xiàn)宏觀(guān)絕熱剪切帶外，還產(chǎn)生了許多微觀(guān)局部變形帶來(lái)承載應(yīng)變。選取圖5 中D區(qū)和E區(qū)微觀(guān)局部變形帶進(jìn)行組織分析。金屬材料變形過(guò)程中，晶界是位錯(cuò)的發(fā)源地和集聚處，動(dòng)態(tài)加載下晶界D區(qū)域柱狀晶晶界位錯(cuò)密度升高富集，同時(shí)產(chǎn)生了應(yīng)力集中，雙重作用導(dǎo)致D區(qū)域的微觀(guān)局部變形帶的形成。微觀(guān)局部變形帶D區(qū)域的絕熱剪切帶寬度約為20 μm，帶內(nèi)亞晶位向顏色與宏觀(guān)絕熱剪切帶不同，圖8(a)的EBSD 位向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化計(jì)算顯示其具有(011)＜111＞特殊織構(gòu)。此外還在微觀(guān)局部變形帶D區(qū)域沿著與壓縮面平行方向采用FIB 技術(shù)切取帶內(nèi)組織試樣，用TKD和TEM 方法對(duì)FIB 試樣表征。圖8(b)的TKD 反極圖顯示，帶內(nèi)的亞晶也具有沿著壓縮方向的＜110＞織構(gòu)。圖8(c)顯示帶內(nèi)亞晶呈現(xiàn)等軸形貌，尺寸約為200～300 nm，衍射結(jié)果表明帶內(nèi)亞晶也經(jīng)歷了充分再結(jié)晶過(guò)程。圖8(c)中電弧增材制造剪切帶內(nèi)的亞晶TEM 形貌與傳統(tǒng)帽形試樣剪切帶內(nèi)的亞晶相似[16-17]。

圖8 微觀(guān)局部變形帶D 區(qū)域EBSD、TKD 反極圖和相應(yīng)的TEM 形貌和衍射圖Fig.8 EBSD IPF, TKD IPF and TEM maps from strain localization of area D

圖9(a)為微觀(guān)局部變形帶E區(qū)域的EBSD 晶粒反極圖，局部變形帶與基體具有完全不同的位向，基體為＜110＞位向，局部變形帶內(nèi)的晶粒則轉(zhuǎn)變?yōu)椋?11＞位向。圖9(b)中TEM 形貌和相應(yīng)的衍射顯示，局部變形帶貫穿基體的孿晶組織，而局部變形帶內(nèi)是沿著剪切方向的條狀亞晶，這些亞晶已經(jīng)沒(méi)有基體的孿晶結(jié)構(gòu)，具有新的位向關(guān)系，但是還沒(méi)有呈現(xiàn)完全再結(jié)晶等軸狀形貌。

圖9 微觀(guān)局部變形帶E 區(qū)域EBSD 反極圖以及TEM 形貌和衍射圖Fig.9 EBSD IPF and TEM maps from strain localization of E area

2.5 絕熱剪切帶織構(gòu)與基體織構(gòu)聯(lián)系

圖10 為不同位置絕熱剪切帶及微觀(guān)局部變形帶內(nèi)亞晶沿著動(dòng)態(tài)壓縮加載方向的轉(zhuǎn)換反極圖，亞晶和基體均具有沿著動(dòng)態(tài)壓縮加載方向的＜110＞絲織構(gòu)。剪切帶中，亞晶具有雙重特征織構(gòu)，既“遺傳”了基體＜110＞絲織構(gòu)，又呈現(xiàn)了與剪切面和剪切方向相關(guān)的特征織構(gòu)。宏觀(guān)絕熱剪切帶中的亞晶具有沿著剪切帶特征方向的A 織構(gòu)，＜112＞方向平行于剪切方向，{111}面平行于剪切面。從晶體學(xué)角度，面心立方的{110}面和{111}面的交角為35.2°，與宏觀(guān)剪切帶與壓縮面的角度大小相當(dāng)，在絕熱剪切作用下基體{110}面旋轉(zhuǎn)35°到沿著剪切面{111}面，這是宏觀(guān)絕熱剪切帶沿著35°作用方向?qū)ΨQ(chēng)發(fā)展的晶體學(xué)條件。圖11 給出了不同宏觀(guān)絕熱剪切帶和微觀(guān)局部變形帶中亞晶的晶界信息，大量大角度晶界（灰色）表明發(fā)生了充分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，但是絕熱剪切帶中的亞晶依然殘留了大量Σ3 60°孿晶界（紅色）。絕熱剪切帶中亞晶織構(gòu)具有典型的“孿生對(duì)稱(chēng)”織構(gòu)，這與面心立方金屬中肖克萊不全位錯(cuò)滑移開(kāi)動(dòng)有關(guān)。文獻(xiàn)[18]表明在動(dòng)態(tài)加載下電弧增材制造316L 基體是通過(guò)孿生變形產(chǎn)生了沿著壓縮方向＜110＞織構(gòu)。Meyers 等[19]結(jié)合各種面心立方金屬的動(dòng)態(tài)加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的理論。絕熱剪切帶內(nèi)亞晶殘余的孿晶界和孿生對(duì)稱(chēng)織構(gòu)表明，孿生機(jī)制是動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程中的重要機(jī)制，可以反推認(rèn)為孿生再結(jié)晶是絕熱剪切亞晶旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的主要方式。

圖10 不同絕熱剪切帶及應(yīng)變局域帶亞晶晶體學(xué)特征方向Fig.10 Grain orientation in different areas from samples undergo adiabatic shearing

圖11 不同剪切帶和微觀(guān)局部變形帶中亞晶晶界Fig.11 Grain boundary misorientation of sub-grains in different ASBs and strain localization

3 結(jié) 論

本文采用分離式霍普金森壓桿對(duì)電弧增材技術(shù)制備的316L 不銹鋼圓柱試樣進(jìn)行了動(dòng)態(tài)加載，研究了各類(lèi)絕熱剪切帶的微觀(guān)形貌和織構(gòu)演化，主要結(jié)論如下：

(1) 增材制造316L 不銹鋼絕熱剪切帶中亞晶具有與基體完全不同的等軸晶形貌，晶粒尺寸大約在200～300 nm；等軸亞晶在動(dòng)態(tài)剪切變形中形成了雙重織構(gòu)，既有與基體一致的沿著壓縮方向的＜110＞絲織構(gòu)，也有與宏觀(guān)剪切方向相關(guān)的晶體學(xué)織構(gòu)，即(111)沿著宏觀(guān)剪切面，＜112＞沿著宏觀(guān)剪切方向；

(2) 絕熱剪切帶內(nèi)亞晶在高溫高應(yīng)力大應(yīng)變的作用下經(jīng)歷了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程，這個(gè)過(guò)程雖然從衡量溫度和應(yīng)變率對(duì)金屬材料熱變形行為的Z-H 參數(shù)上看與傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程相似，但是在機(jī)制上存在差別，不同剪切帶的亞晶都有殘余大量Σ3 60°孿晶界，同時(shí)具有與基體相同的孿生對(duì)稱(chēng)織構(gòu)，可以證明孿生再結(jié)晶是剪切帶內(nèi)亞晶主要的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制；

(3)宏觀(guān)絕熱剪切帶沿著35°的對(duì)稱(chēng)路徑發(fā)展，這不僅符合動(dòng)態(tài)加載下試樣中最大應(yīng)變和熱場(chǎng)分布的外加物理?xiàng)l件，也還符合剪切面(111)與基體(110)面交角約為35°的晶體學(xué)條件；此外基體中還存在大量微觀(guān)局部變形帶來(lái)承載應(yīng)變，微觀(guān)局部變形帶內(nèi)亞晶也具有與基體孿晶組織不同的位向和形貌。