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《Acta Materialia》綜述：增材制造金屬的斷裂與疲勞！

2022-02-23 15:46:48 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

增材制造（AM）的出現(xiàn)以前所未有的方式革新金屬零件制造。為了實現(xiàn)這一潛力，使AM合金成功地應用于工業(yè)領(lǐng)域，對加工-顯微組織和機械性能的深入理解是十分必要的。AM的附加特性，如介觀結(jié)構(gòu)、孔隙度、殘余應力，以及它們之間復雜的相互作用，使這一過程變得更加復雜。雖然在AM的制造方面以及組織和拉伸性能的評估方面已經(jīng)進行了大量的研究，但對斷裂韌性和疲勞性能的研究相對較少。由于這些性能是確保AM部件結(jié)構(gòu)完整性的關(guān)鍵，更多的關(guān)注AM合金的疲勞和斷裂是必要的，以理解這些性能如何進行調(diào)控。反過來，這些知識可以用來設(shè)計耐損傷的結(jié)構(gòu)部件。在這種情況下，針對AM合金的斷裂和疲勞性能進行綜述具有重要意義。

南非斯泰倫博什大學的研究人員全面回顧了目前對AM合金中結(jié)構(gòu)-性能相關(guān)性的分析，總結(jié)了提高合金損傷容限的方法，包括在AM過程中改進加工條件以及退火、熱等靜壓和噴丸強化等后處理，對AM合金現(xiàn)有研究結(jié)果進行總結(jié)并展望未來發(fā)展情況。相關(guān)論文以題為“Fracture and fatigue in additively manufactured metals”發(fā)表在Acta Materialia。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117240

對于AM合金來說，延展性不是最重要的性能指標，因為AM合金的特點是近凈成形，幾乎不需要進一步二次機加工，由于斷裂韌性可以通過微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計得到提高，因此最好直接關(guān)注斷裂韌性的評估，以及如何進一步優(yōu)化強度和韌性組合。激光工藝的快速凝固條件在某些情況下擴展了合金元素的固溶度，進而產(chǎn)生亞穩(wěn)細小的顯微組織特征，而構(gòu)建策略則提供了微觀結(jié)構(gòu)特征。前者增強強度，后者增強韌性。AM為設(shè)計具有良好強度-韌性組合的合金提供的額外自由度尚未得到充分利用。

圖1 AM合金制備方法示意圖（a）激光粉末床融合（LB-PBP）；（b）激光定向能沉積（LB-DED）；（c）粘合劑噴射（BJP）

圖2 增材制造316L的微觀結(jié)構(gòu)

圖3 17-4PH鋼經(jīng)熱處理后的裂紋路徑

圖4 LB-PBFTi6Al4V在不同方向上的裂紋分布

大多數(shù)AM合金的原材料都是粉末狀的，因此在產(chǎn)品中氣孔是不可避免的，采用損傷容限方法對AM制造的構(gòu)件進行設(shè)計是保證結(jié)構(gòu)完整性和可靠性的最佳途徑。在這種方法中，缺陷的存在被認為是理所當然的，這使得微觀和介觀結(jié)構(gòu)對疲勞裂紋擴展和裂紋閉合行為的作用變得重要。因此必須詳細了解加工條件如何影響孔隙率，由于缺陷大小、形狀和位置等方面在決定零件疲勞壽命方面起著至關(guān)重要的作用，需要對它們進行詳細的表征。目前尚未引起重視的AM合金的應力腐蝕開裂和氫脆等問題需要進一步研究，未來將進一步應用模擬技術(shù)，基于AM合金組織-斷裂/疲勞性能關(guān)系模型仍有待研究。本文為AM合金的研究現(xiàn)狀進行梳理并對未來研究方向進行展望規(guī)劃，有助于AM合金的發(fā)展應用。

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