选择性激光熔化AlSi10Mg合金BCC晶格压缩断裂行为的应力-损伤模型参数有效性研究

本研究针对SLM（选择性激光熔化）制备的AlSi10Mg合金BCC晶格结构压缩断裂行为预测难题，通过对比机加工大尺寸试样与直接成型支柱的拉伸/压缩试验数据，系统评估了Johnson-Cook（JC）应力-损伤模型参数的适用性。研究发现，采用压缩缺口敏感型损伤参数结合0.25 mm网格尺寸可保守预测实验变形应力，而微拉伸支柱应力模型能准确再现支柱对角剪切断裂模式。该研究为增材制造晶格结构的力学性能精准预测提供了重要方法论支撑。

　　

金属增材制造技术近年来快速发展，其中选择性激光熔化（SLM）因其能直接成型复杂结构的特点备受关注。AlSi10Mg合金因其良好的铸造性能和机械特性成为SLM常用材料，尤其适合制备轻质高强的晶格结构。这类结构在航空航天、生物医疗等领域展现出巨大潜力，但SLM工艺固有的缺陷（如孔隙、未熔合等）和残余应力导致材料力学性能显著下降，使得晶格结构的压缩断裂行为预测成为难题。现有研究多采用大尺寸试样数据建模，但晶格支柱的微观结构与宏观试样存在显著差异，传统方法预测精度有限。

为攻克这一难题，来自国内某研究机构的Mustafa Güden团队在《Mechanics of Materials》发表研究，系统考察了从宏观试样和微支柱提取的Johnson-Cook（JC）应力-损伤模型参数对AlSi10Mg合金体心立方（BCC）晶格压缩行为的预测能力。研究创新性地对比了四种损伤参数组合（脆性/延性缺口敏感与非敏感型）在不同网格尺寸下的表现，并首次验证了从成型晶格中截取支柱试样的测试数据用于建模的可行性。

研究采用的关键技术包括：通过标准拉伸试验获取大尺寸棒材的JC模型参数；设计特殊夹具进行微米级支柱的拉伸测试；建立包含不同单元数（2×2×2至10×10×2）和几何构型（夹层与立方体）的有限元模型；采用显式动力学方法模拟准静态压缩过程。所有试样均使用相同SLM工艺参数制备，确保材料一致性。

材料与力学测试
研究使用30-110 μm气雾化AlSi10Mg粉末制备BCC晶格结构，单元尺寸统一为10 mm，支柱直径1 mm。通过对比机加工大试样与直接成型支柱的拉伸曲线，发现支柱弹性模量（36 GPa）仅为大试样（72 GPa）的一半，凸显尺寸效应。

应力-损伤模型参数确定
JC损伤参数根据断裂应变敏感性分为四类：脆性缺口不敏感型（D₁
=0.001）、延性缺口不敏感型（D₁
=0.01）、压缩缺口敏感型（D₁
=0.15）和拉伸缺口敏感型（D₁
=0.12）。参数校准显示，支柱微拉伸数据更接近晶格实际力学响应。

结论与讨论
脆性损伤参数会导致晶格表层节点过早开裂，而缺口敏感型参数能更准确预测中层支柱的弯曲主导破坏模式。采用0.25 mm网格时，压缩缺口敏感参数配合支柱应力模型可保守预测实验应力（误差<15%），而大试样模型会高估30%以上。特别值得注意的是，从成型晶格截取支柱的测试数据与专门制备的微支柱结果高度一致，这为后续研究提供了更便捷的参数获取途径。

该研究的核心价值在于建立了SLM晶格结构"工艺-参数-性能"的定量关联：首先证实了传统大试样数据在晶格建模中的局限性，明确了微尺度测试的必要性；其次揭示了损伤参数选择对破坏模式预测的决定性影响；最后通过系统验证不同构型晶格的模拟效果，为工程应用提供了可靠的建模指南。这些发现对推动增材制造晶格结构的性能优化与工业应用具有重要指导意义。