通过激光增材制造技术制备的超高强度钢的动态力学行为：能量密度的影响

《International Journal of Minerals Metallurgy and Materials》：Dynamic mechanical behavior of ultra-high strength steel fabricated by laser additive manufacturing: Influence of energy density

激光增材制造超高强度钢的动态性能与能量密度、应变率关系研究。采用显微分析和高速测试技术，揭示能量密度292-333 J/mm3时材料密度最优，超过333 J/mm3出现气孔缺陷，动态强度提升8.4%-17.6%。应变率≥2000 s?1时12 μs内出现初始裂纹并快速失效，≤1500 s?1时仅产生微裂纹和剪切带，断裂形态随应变率增加由韧性向脆性转变。为高冲击环境应用提供理论支撑。

　　

摘要

通过激光增材制造（LAM）技术制备的超高强度钢（UHSS）在国防、航空航天及其他高性能领域具有广泛应用前景。然而，其对高冲击载荷的响应机制仍不够明确，尤其是能量密度对其动态力学性能的影响尚未得到充分研究。本研究采用扫描电子显微镜、电子背散射衍射和图像识别技术，分析了不同能量密度条件下LAM制备的UHSS的微观结构变化。利用Split Hopkinson压力棒系统结合高速数字图像相关技术对材料的动态力学性能进行了表征。研究揭示了表面应变和裂纹形成的时空演变过程，以及相应的动态断裂机制。研究发现，不同能量密度下形成的微观结构与材料的动态力学强度之间存在明显关联。结果表明，当能量密度为292 J/mm3和333 J/mm3时，材料达到最佳性能。当能量密度超过333 J/mm3时，会产生关键孔缺陷，从而影响结构完整性。材料的动态性能强烈依赖于其密度：在292 J/mm3时，其抗冲击性能达到峰值，强度比500 J/mm3时高出8.4%至17.6%。在应变率≥2000 s?1的情况下，材料在约110 μs时达到强度极限，初始裂纹在12 μs内出现，随后发生快速失效；而在应变率≤1500 s?1的情况下，仅观察到微裂纹和绝热剪切带。随着应变率的增加，断裂表面形态从韧性向脆性转变。这些发现为优化LAM制备的UHSS的动态力学性能提供了重要见解，并为其在高冲击环境中的应用奠定了坚实基础。