導(dǎo)讀：增材制造（AM）能夠使用定制的架構(gòu)來處理異質(zhì)材料，從而提高強(qiáng)度和塑性的協(xié)同效應(yīng)。本文采用兩種鋼粉按設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)對(duì)層狀異質(zhì)組織高強(qiáng)度鋼進(jìn)行增材制造。所制備的高強(qiáng)度鋼在層、熔池和晶粒尺度處具有分層非均質(zhì)特征，表現(xiàn)出良好的強(qiáng)塑性組合，強(qiáng)度達(dá)到1.32 GPa，伸長(zhǎng)率達(dá)到7.5%。強(qiáng)度的增加歸因于異質(zhì)變形引起的強(qiáng)化。原位變形監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，異質(zhì)結(jié)材料中有許多獨(dú)特的變形帶，可以延遲縮頸，提高塑性。這一發(fā)現(xiàn)證明了一種新的、潛在的提高材料性能的方法。

強(qiáng)度-塑性的權(quán)衡是工程金屬材料領(lǐng)域存在的一個(gè)長(zhǎng)期挑戰(zhàn)。近年來，具有工程梯度結(jié)構(gòu)、非均勻組織、孿晶和分層組織的金屬材料被證明是實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和高塑性的可行方法。例如，金屬材料中的變形孿晶是一種重要的變形機(jī)制（不同于位錯(cuò)滑移原理），它導(dǎo)致了“孿晶誘發(fā)塑性”，同時(shí)提高了材料的強(qiáng)度和塑性。相比之下，異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料分別受到粗晶/軟相和細(xì)晶/硬相對(duì)應(yīng)的“軟”和“硬”區(qū)域的影響。在塑性變形過程中，異質(zhì)區(qū)變形不均勻，在軟區(qū)形成負(fù)應(yīng)力，在硬區(qū)形成正應(yīng)力，共同導(dǎo)致異質(zhì)變形誘導(dǎo)（HDI）強(qiáng)化，同時(shí)保持良好的塑性。然而，TWIP效應(yīng)只存在于有限類型的金屬中。此外，傳統(tǒng)的熱機(jī)械過程（如軋制）很難控制孿晶和非均勻組織的體積分?jǐn)?shù)和周期分布。這可能導(dǎo)致顯著的各向異性和機(jī)械性能的高度不確定性。

功能梯度材料（FGM）是一種典型的異質(zhì)材料，其特征是組成/成分或微觀結(jié)構(gòu)沿單個(gè)或多個(gè)方向發(fā)生空間變化，從而提供了一種改善應(yīng)力-延性組合的有效方法，因?yàn)樗鼈兛梢岳^承了來自它們的本構(gòu)材料的不同優(yōu)點(diǎn)（即強(qiáng)度，延展性和韌性）。

新加坡制造技術(shù)研究院Chaolin 譚超林聯(lián)合南方科技大學(xué)材料與科學(xué)工程系研究了一種通過增材制造層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)FGMs來改善高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度-塑性組合。對(duì)其顯微組織、力學(xué)性能、變形破壞機(jī)理進(jìn)行了研究。這一發(fā)現(xiàn)為具有可控性能和功能的異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的AM加工開辟了新的研究領(lǐng)域。相關(guān)研究成果以題“Additive manufacturing of multi-scale heterostructured high-strength steels”發(fā)表在國(guó)際材料頂刊Materials Research Letters上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1080/21663831.2021.1904299

利用LAAM加工具有可控結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料是一種很有前途的方法。兩種材料在不同層中的交替沉積導(dǎo)致宏觀層次結(jié)構(gòu)的形成，而Marangoni流動(dòng)引起的熔池稀釋/混合導(dǎo)致了中尺度異質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成。這些現(xiàn)象與觀察到的沿微柱狀晶界的元素偏析共同構(gòu)成了LAAM加工高強(qiáng)度鋼中的多尺度異質(zhì)結(jié)構(gòu)。異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的UTS為1.32GPa，延伸率為7.5%，與母材MS材料相比，表現(xiàn)出優(yōu)越的強(qiáng)塑性組合。

圖1（c，d）所示的FGM的OM形態(tài) 顯示了分層架構(gòu)。對(duì)于FGM-2，SS或MS層的厚度幾乎是FGM-1的兩倍。因此，隨后沉積的SS層僅部分穿透MS層，從而在SS和MS之間形成稀釋層，這是圖1（d）中的灰色區(qū)域 。

圖1 顯示（a）FGM-1和（b）FGM-2兩種層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)FGM的LAAM過程的示意圖；（c）FGM-1和（d）FGM-2樣品沿構(gòu)建方向的OM形貌和EDS圖。

圖2 沿建造方向?qū)GM-1樣品進(jìn)行的OM和EBSD顯微組織研究。（a）顯示橫截面微觀結(jié)構(gòu)的低倍放大圖像，（b）和（c）對(duì)應(yīng)于從（a）中顯示的MS和層邊界的微觀結(jié)構(gòu)的選定區(qū)域中放大的圖像，（d）EBSD掃描區(qū)域，（e ）和（f）GND圖，（g）IPF，（h）相分布圖和（i）GND密度分布。

圖3 界面的高倍EBSD分析和微結(jié)構(gòu)評(píng)估機(jī)制。（a）與圖2（c）中標(biāo)記區(qū)域相對(duì)應(yīng)的層界面的EBSD掃描區(qū)域，（b）波段對(duì)比圖像，（c）IPF，（d）相分布圖，（e）EDS圖，（f）示意圖，顯示了微結(jié)構(gòu)評(píng)估機(jī)制和多尺度異質(zhì)結(jié)構(gòu)（F代表表面張力和重力之間的合力）。Marangoni對(duì)流的示意圖改編自此。

圖4 層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)FGM的機(jī)械性能和變形行為。（a）顯示穿過幾層的顯微硬度壓痕的OM圖像，（b），（a）中選定區(qū)域的硬度分布圖，（c）C300 MS和FGM的工程拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，（d） C300 MS和FGM樣品在加載和卸載測(cè)試過程中的應(yīng)力應(yīng)變曲線，（e）DIC監(jiān)測(cè)的不同階段的應(yīng)變分布圖。

圖5 拉伸試驗(yàn)后對(duì)斷裂的FGM-1樣品的微觀結(jié)構(gòu)和斷裂機(jī)理分析。（a）顯示EBSD測(cè)量區(qū)域的SEM和EDS圖。（b）顯示SS和MS區(qū)域的SEM圖像，（c）GND圖，（d）在（b）中圈出的界面上的特寫EBSD分析，（e）FGM-1前后的GND密度分布拉伸試驗(yàn)，（f）顯示斷裂過程的示意圖。

綜上所述，強(qiáng)度的增加這歸因于異質(zhì)變形引起的強(qiáng)化。原位變形監(jiān)測(cè)揭示了許多獨(dú)特的變形帶，這些變形帶不同于均質(zhì)材料，可能有助于提高了延伸率。這些發(fā)現(xiàn)突出了一個(gè)新的研究領(lǐng)域和方法，通過使用AM處理預(yù)先設(shè)計(jì)的空間模式來規(guī)避材料的屬性權(quán)衡。