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作者与机构
本研究的主要作者包括B. Köksal、D. He、L. Hübner、T. Wegener、T. Niendorf和C. Haase。他们分别来自德国亚琛工业大学（RWTH Aachen University）钢铁研究所、卡塞尔大学（University of Kassel）材料工程研究所和柏林工业大学（TU Berlin）增材制造材料研究中心。研究论文于2025年2月26日发表在《Journal of Materials Research and Technology》期刊上，文章编号为10.1016/j.jmrt.2025.02.219。
学术背景
本研究聚焦于中锰钢（Medium-Manganese Steel, MMnS）在激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, PBF-LB/M）增材制造过程中的微观结构演变及其相变行为。中锰钢因其高强度和良好的延展性，在汽车和建筑等领域具有广泛应用前景。然而，其相变行为对制造条件的依赖性使得在增材制造中控制微观结构变得复杂。本研究旨在通过实验分析和计算机模拟，探究激光扫描速度对中锰钢凝固和冷却过程中微观结构异质性和相变的影响，特别是对奥氏体稳定性的影响。通过分离化学成分、晶粒形态和机械因素对奥氏体稳定性的独立影响，研究为中锰钢的增材制造提供了理论支持。
研究流程
研究流程包括材料制备、微观结构表征和数值模拟三个主要部分。
材料制备
研究使用预合金化的X30Mn22粉末与纯铁粉末按62:38的重量比混合，目标成分为X21Mn13中锰钢。通过SLM280HL设备进行激光粉末床熔融，制备了尺寸为10×10×10 mm³的立方体样品。实验设置了三种不同的激光扫描速度（200 mm/s、400 mm/s和600 mm/s），分别标记为S200、S400和S600。其他工艺参数如激光功率、层厚、扫描间距和基板预热温度保持不变。
微观结构表征
微观结构表征包括光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和X射线衍射（XRD）分析。样品沿构建方向（Building Direction, BD）切割，并在中心区域进行分析。通过机械研磨、抛光和电解抛光制备样品，使用Zeiss Sigma场发射扫描电子显微镜进行高分辨率成像和相分析。EBSD数据通过MATLAB工具箱MTEX进行后处理，计算几何必要位错密度（Geometrically Necessary Dislocations, GND）和残余应力。XRD分析用于测量相分数和残余应力状态。
数值模拟
研究使用COMSOL Multiphysics®软件进行有限元分析（Finite Element Analysis, FEA），模拟激光与材料的相互作用，包括相变、热传递、蒸发和反冲效应。多相场模拟（Multiphase-Field Simulation）通过MICRESS®软件进行，模拟熔池凝固过程中的Mn和C分布。模拟结果与实验数据结合，计算了不同扫描速度下的马氏体起始温度（Martensite Start Temperature, Ms），并分析了奥氏体稳定性的影响因素。
主要结果
1. 激光扫描速度对微观结构的影响
研究结果表明，随着扫描速度的增加，Mn蒸发减少，初级奥氏体晶粒（Primary Austenite Grains, PAGs）尺寸减小，几何必要位错密度降低，残余压缩应力减少。这些变化显著影响了奥氏体的稳定性。
奥氏体稳定性分析
通过多相场模拟和实验数据，研究发现奥氏体稳定性受化学成分、晶粒尺寸和残余应力的共同影响。扫描速度的增加导致Mn含量增加，PAGs尺寸减小，从而提高了奥氏体稳定性。S600样品的奥氏体稳定性最高，Ms温度最低。
马氏体形成机制
马氏体主要在非<100>取向的奥氏体晶粒中形成，而<100>取向的奥氏体晶粒得以保留，主导了奥氏体的织构。通过EBSD分析，研究确认了马氏体与奥氏体之间的Kurdjumov-Sachs取向关系（Kurdjumov-Sachs Orientation Relationship, KS-OR），并重建了PAGs的晶体学结构。
结论
本研究通过实验和模拟相结合的方法，系统地分析了激光扫描速度对中锰钢增材制造过程中微观结构演变和相变行为的影响。研究发现，扫描速度的增加通过减少Mn蒸发、细化晶粒和降低残余应力，显著提高了奥氏体稳定性。此外，马氏体主要在非<100>取向的奥氏体晶粒中形成，这一发现为控制中锰钢的微观结构和力学性能提供了重要指导。研究结果为增材制造中锰钢的工艺优化和微观结构设计提供了理论依据。
研究亮点
1. 重要发现
研究发现激光扫描速度对中锰钢的微观结构和相变行为具有显著影响，特别是对奥氏体稳定性和马氏体形成机制的深入理解。
2. 方法创新
研究结合了多相场模拟和有限元分析，首次系统地分析了增材制造中锰钢的微观结构异质性和相变行为。
3. 研究对象的特殊性
中锰钢作为一种具有高强度和良好延展性的材料，其增材制造过程中的微观结构控制具有重要的科学和工程价值。
其他有价值的内容
研究还探讨了残余应力对奥氏体稳定性的影响，发现残余压缩应力会促进马氏体形成。这一发现为理解增材制造过程中微观结构的演变提供了新的视角。
以上报告全面介绍了该研究的背景、流程、结果和意义，旨在为其他研究人员提供详细的研究参考。