金属3D打印316L不锈钢的微观残余应力：计算模拟分析

2022年2月，新加坡国立大学闫文韬团队，发布了一篇关于金属增材制造（316L不锈钢）微观残余应力机理的数值模拟工作论文，在固体力学期刊JMPS上。
近年来，金属增材制造因其制造复杂几何形状的零件的卓越能力而备受关注。然而，制造过程中的较高温度梯度会导致残余应力，进而导致零件的变形甚至破裂。本文使用数值计算方法，在晶粒尺度上研究了增材制造零件中残余应力的形成和演变，具体计算框架结合了多物理场热流体流动模型、晶粒生长相场模型和晶体塑性有限元模型。首先，该框架通过将模拟结果与两个采用不同工艺参数的316L不锈钢样品中的不同晶粒族的晶格应变实验结果进行对比而得到验证。然后研究了样品中残余应力、塑性变形和晶粒取向之间的关系。在激光扫描过程中可以观察到残余应力是由于晶粒受到压缩-拉伸作用而形成的，而这在熔池内部尤为明显，因此熔池的形状对残余应力分布有显着影响。此外， 仿真预测了冷却阶段塑性变形的在晶粒之间的重新分布，且较大的残余应力出现在沿激光扫描方向。这项工作为理解增材制造零件中微尺度残余应力的产生和演变机制提供了新的参考。

△计算仿真方法示意图

△仿真与实验的晶格应变对比方法示意图及结果
金属增材制造(Additive manufacturing, AM)过程中，由于较高的温度梯度和快速的加热-冷却过程，会产生较高的残余应力，进而导致零件发生翘曲或开裂。本文通过计算仿真方法，研究了微观残余应力在增材制造过程中的产生和演变过程，以期为降低增材制造零件中的残余应力提供参考。本文采用耦合了多物理场热流体模型-相场晶粒生长模型-晶体塑性有限元模型的计算框架，模拟出了激光粉末选区熔化制造过程中316L不锈钢材料的热-力学行为，并通过与原位实验结果中的晶格应变演化对比验证，有力地阐释了增材制造零件中残余应力在晶粒尺度上的产生和演变机理。

△塑性变形在增材制造冷却过程中的重新分布

来自新加坡国立大学机械工程系的闫文韬教授团队，开发了能够模拟过程-结构-性能关系的数值计算方法，实现激光粉末选区熔化过程的残余应力模拟，进一步解释了增材制造过程中微观残余应力的产生机理、分布特征和演变规律。该研究最主要的贡献在晶粒尺度上揭示了增材制造零件中残余应力的特征和机理如下：
1) 激光扫描过程导致的热膨胀和收缩使得材料在约束下发生不均匀的塑性变形，其复杂的拉压受力特性导致了残余应力的产生。
2) 残余应力的分布与熔池特征相关，拉应力多集中于熔池轨迹中的伸长晶内，且残余应力的大小与晶粒取向相关。
3)在冷却阶段，晶粒之间的不相容塑性变形会进行逐渐均匀化再分布以降低残余应力。该研究提出了针对增材制造零件的残余应力的计算模拟方法，且此方法表现出了能够通过输入工艺参数预测最终材料性能和残余应力的潜力。同时，本研究中的结果揭示了残余应力的产生和演化机理，为优化工艺参数来降低残余应力提供了新的参考。该文近期发表于Journal of the Mechanics and Physics of Solids 104822 (2022)。
（原文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0022509622000394）


通讯作者介绍：
闫文韬：
新加坡国立大学机械工程系助理教授。2012年获得清华大学工学学士学位，2017年获得美国西北大学与清华大学联合培养博士学位，2018年在西北大学机械工程系完成博士后研究，任美国国家 标准与技术研究院（NIST）的客座研究员。目前从事金属增材制造（如电子束选区熔化，激光选区熔化）中的数值模拟、实验验证和数据分析等研究工作。

目前闫文韬老师团队诚招优秀博士后加入，申请人需有以下至少一项专长：
1）固体力学或流体力学中的计算建模，有限元法、有限体积法、流体体积法、相场、元胞自动机、蒙特卡洛等计算方法，传热、多相流、金属相变、晶体塑性、 热-机械模拟等
2）金属增材制造（SLM、EBM、LENS 等）或类似的金属制造（焊接、铸造、粉末冶金等）。
3） 拓扑优化。
4）数据驱动的代理建模、机器学习。
欢迎感兴趣的的申请人发邮件至mpeyanw@nus.edu.sg，请附上CV。
团队详情参见https://blog.nus.edu.sg/yanwt

本文另一作者Nicolò Grilli原为闫文韬团队博士后，目前已出站并在英国布里斯托大学担任教职，正在组建团队，主要研究领域包括晶体塑性，固体力学，增材制造，位错动力学，断裂疲劳等领域，欢迎感兴趣的相关领域同学交流合作。
详情参见https://research-information.bri ... rilli#opennewwindow