激光定向能量沉积AerMet100超高强度钢在临界断裂应变率条件下的动态力学响应与变形机制

《METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A-PHYSICAL METALLURGY AND MATERIALS SCIENCE》：Dynamic Mechanical Response and Deformation Mechanism of Laser-Directed Energy Deposited AerMet100 Ultra-High-Strength Steel Under Critical Fracture Strain-Rate Conditions

激光定向能量沉积（LDED）AerMet100钢在热处理（482℃退火2-10小时）下的动态力学性能研究表明：临界断裂应变率从退火前的4336 s?1提升至5011 s?1以上，其中5小时退火（TM-5h）实现强度（2725 MPa）与韧性（846 MJ/m3）最优平衡。显微组织演变通过M?C carbide粗化和薄膜状回火马氏体增厚调控，导致非均匀塑性变形（退火态）向绝热剪切带（ASBs）主导的裂纹扩展机制转变，揭示了微观结构-动态性能的构效关系。

　　

摘要

优异的抗冲击性能是超高强度钢（UHSS）部件在高应变率载荷条件下保持结构完整性的关键动态力学性能特征。本研究主要利用分裂霍普金森压力杆（SHPB）试验，在临界断裂应变率下，探讨了激光定向能量沉积（LDED）AerMet100钢在沉积态及三种回火条件（482°C下热处理2至10小时）下的动态力学响应和变形机制。热处理后，LDED AerMet100钢的临界断裂应变率从沉积态的4336 s^?1提高到超过5011 s^?1。延长回火时间可降低钢材的流动应力（TM-2h试样的流动应力为2806±50 MPa，TM-10h试样为2475±36 MPa）和屈服强度，这归因于M₂C碳化物的粗化以及薄膜状逆向奥氏体的增厚。在测试的样品中，TM-5h样品表现出最佳的强度和韧性组合，其流动应力约为2725 MPa，塑性功约为846 MJ/m³。沉积态和回火态样品在微观塑性变形行为和裂纹特性方面存在显著差异：沉积态样品表现出非均匀塑性变形，并出现局部变形带；而晶界在形成绝热剪切带（ASBs）之前容易发生早期裂纹。相比之下，回火态样品形成的ASBs含有动态再结晶的纳米级等轴晶粒，这促进了微裂纹的萌生和扩展。这些发现明确了LDED AerMet100钢在临界断裂应变率条件下的微观结构演变与其动态力学性能之间的明确关联，为开发具有优异抗冲击性能的部件提供了宝贵的设计指导。