通过激光粉末床熔融技术在316L不锈钢中研究孔隙聚合控制型断裂与孔隙生长控制型断裂之间的竞争机制：孔径大小和孔间距的影响

《Additive Manufacturing》：Competition between pore coalescence-controlled and pore growth-controlled fracture in 316 L stainless steel by laser powder bed fusion: effect of pore size and spacing

研究激光粉末床熔融（PBF-LB）制造的316L不锈钢中内部孔隙的尺寸和间距对力学性能及塑性断裂机制的影响。通过拉伸试验和中断XCT扫描发现，孔隙成组主导的断裂中，孔隙尺寸增大导致断裂应变降低，间距影响较小；而单个孔隙主导的断裂中，孔隙间距和尺寸共同作用影响断裂行为。验证了改进的Mohr-Coloumb模型能准确预测孔隙合并或材料断裂的临界应变。分隔符：

　　

迈克尔拉·A·卢伯斯|艾莉森·M·比斯

宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系，美国宾夕法尼亚州大学公园市16802

摘要

本研究探讨了内部孔隙的尺寸和间距对增材制造的316L不锈钢在单轴拉伸下的力学性能及主要塑性断裂机制的影响。采用激光粉末床熔融技术制备了具有一个或四个硬币形状孔隙的拉伸样品，这些孔隙位于中心轴向平面上，且孔隙尺寸和间距各不相同。研究观察到了两种塑性断裂行为模式：一种是孔隙聚合主导的模式，在该模式下，较大的孔隙在接近或达到极限抗拉强度（UTS）时发生聚合，从而降低了样品的塑性；另一种是孔隙生长主导的模式，在这种模式下，较小的孔隙即使在UTS之后仍能独立生长，对样品塑性的影响不显著。修改后的Mohr-Coloumb塑性断裂模型被用来描述孔隙聚合现象，该模型可作为相邻孔隙聚合的指示器：在孔隙聚合主导的模式下，预测的断裂发生在接近实验UTS时，与实际结果吻合；而在孔隙生长主导的模式下，预测的断裂发生在UTS之后，也与实际结果相符。本研究为判断增材制造或传统加工合金中的孔隙分布是否可能加速断裂提供了理论框架，有助于评估这些部件在结构应用中的适用性。

引言

激光粉末床熔融（PBF-LB）增材制造（AM）因能够制备出可定制且复杂的几何形状而在航空航天、汽车和生物医学领域备受关注。然而，AM技术的主流应用目前受到力学性能不确定性的限制，这些不确定性主要源于缺陷的形成，如关键孔洞、气体孔隙和未熔合（LoF）孔隙[1]、[2]、[3]，这些孔隙往往聚集在一起。对于结构应用而言，了解孔隙群在载荷作用下的演变及其对部件力学性能的影响至关重要。

未熔合孔隙是由于相邻熔池熔合不足而形成的，它们是研究的主要对象，因为这些尖锐的孔隙会在部件内部形成应力集中区，从而显著降低部件的强度和塑性[3]、[4]、[5]。已有研究探讨了这些缺陷对力学性能的影响，发现其影响因材料类型和缺陷体积分数的不同而异。在某些情况下，稀疏且随机分布的未熔合孔隙对塑性金属的力学性能影响可以忽略不计，此时断裂原因更多地归因于表面粗糙度或微观结构特征[4]。然而，在具有不均匀分布未熔合孔隙的316L不锈钢（SS316L）中，卡尔顿等人发现即使孔隙率低至2%，样品也会因缺陷而失效，且塑性降低[5]。威尔逊-海德等人通过制备含有单个人工设计孔隙的PBF-LB SS316L拉伸样品，发现当孔隙面积超过截面积的16%时，极限抗拉强度才受到显著影响；而当孔隙面积达到截面积的9%时，断裂伸长率会降低[6]。由于孔隙通常沿激光轨迹形成[7]、[8]、[9]，因此了解孔隙的大小及其相互间距对力学性能和塑性断裂过程的影响对于评估这些缺陷对部件性能的影响至关重要。

塑性断裂过程受孔隙形成、生长和聚合的调控；但由于AM制造的部件中存在孔隙，本研究的重点在于确定孔隙群的特征与断裂过程中孔隙生长或聚合哪种机制占主导地位之间的关系。孔隙的生长和聚合已通过代表性体积元素（RVE）有限元分析和传统加工材料的实验研究进行了探讨[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。对于孤立孔隙而言，较大的孔隙尺寸、较高的长宽比以及尖锐不规则的孔隙形状会加速孔隙生长[13]、[14]；对于孔隙群而言，这些因素同样会加速孔隙聚合的起始。孔隙的生长和聚合还会因孔隙间应力场的相互作用而加速[12]、[15]、[16]。黄等人利用RVE模拟分析了不同机制对塑性断裂的相对影响，发现对于多颗粒孔隙群，塑性断裂主要由孔隙形成控制；而对于少颗粒孔隙群，则主要由孔隙生长控制[17]。胡贝尔等人也表明，多孔隙群的塑性主要受孔隙形成控制，因为这些孔隙彼此靠近，导致突然聚合[18]。特弗加德通过RVE模拟发现，相对于孔隙尺寸而言，较大的孔隙间距会导致孔隙聚合延迟，而较小的孔隙间距则会导致孔隙过早聚合，从而在施加应变时孔隙快速生长，但未研究最终材料断裂的情况[19]。

用于开发考虑孔隙相互作用的塑性断裂模型的单元格分析通常假设理想孔隙在无限介质中均匀分布[20]、[21]、[22]，但其预测的孔隙聚合事件通常未经实验验证。不过，一些研究人员通过实验验证了金属中随机或人工产生的孔隙的塑性断裂模型和聚合判据。例如，韦克等人研究了平直单轴拉伸样品中激光钻孔的孔隙聚合现象[25]，而韦克和兰德龙分别研究了激光钻孔金属薄板和传统加工金属中内部孔隙的聚合现象[10]、[26]。尽管这些研究明确了聚合对样品塑性的影响，但并未对比有聚合现象和没有聚合现象的样品及其对力学性能的影响。

本研究探讨了内部孔隙配置特征（即孔隙尺寸和孔隙间距）对PBF-LB SS316L在单轴拉伸下的力学性能及主要塑性断裂机制的影响。通过连续拉伸试验和间歇性卸载配合X射线计算机断层扫描（XCT）来测定孔隙配置对样品强度、孔隙聚合应变和断裂应变的影响。将含有孔隙群的样品的断裂应变与含有单个孔隙的样品的断裂应变进行比较，以确定孔隙群与单个孔隙对断裂行为的影响。间歇性XCT扫描用于判断含有孔隙群的样品中是否发生孔隙聚合以及何时发生聚合。有限元建模用于预测含有孔隙群的样品中的孔隙聚合现象，根据样品的分类结果准确判断孔隙聚合或样品断裂。本研究旨在确定通过AM或其他传统方法产生的缺陷群是否会对部件的结构性能产生影响，从而指导缺陷非破坏性评估后的部件验收。

样本制备

样品制备

使用PBF-LB（ProX DMP 320，3D Systems，南卡罗来纳州罗克希尔）技术制备了两组符合ASTM E8 [32]标准的不锈钢316L样品，激光功率为300W，激光扫描速度为900mm/s，阴影间距为100μm，阴影旋转角度为245°，层高为60μm。这两组样品中包含两种类型：孔隙群样品和单个孔隙样品，所有样品的外径均为6mm。孔隙群样品包含四个硬币形状的孔隙。

聚合控制的断裂

对于孔隙群样品，远场工程断裂应变${\epsilon }_f$与孔隙尺寸$d$成反比，而与孔隙间距$w$大致无关，如图5a中的第1组样品所示。当初始${\epsilon }_f$增大到测试的最大值$R^2=0.977$时，$f$呈线性减小；然而，在研究的间距范围内，$w$对远场断裂应变有次要影响$R^2=0.027$。极限抗拉强度（UTS）与$d$成反比（$R^2=0.587$），但

结论

本研究对含有单个硬币形状孔隙或不同直径和孔隙间距的网格状孔隙群的PBF-LB SS316L单轴拉伸样品进行了力学测试。通过XCT扫描中断的加载/卸载试验揭示了变形过程中从单个孔隙生长到孔隙聚合的转变，这一转变取决于孔隙群的特征。研究的主要结论如下：

• •
  存在两种具有不同主导塑性断裂机制的模式

未引用参考文献

[31]

利益冲突声明

作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益/个人关系：艾莉森·比斯是《Additive Manufacturing》杂志的编委会成员。鉴于她的编委会职务，她未参与本文的同行评审，也未获取任何有关同行评审的信息。本文的编辑工作由另一位期刊编辑负责。如果还有其他作者，则...

致谢

感谢海军研究办公室通过N00014-24-1-2345号奖项、国家科学基金会通过CMMI 1652575号奖项，以及国防部研究工程办公室和国家国防教育计划BA-1基础研究资助的科学、数学与变革（SMART）奖学金提供的财政支持。同时，我们也感谢Agustin Diaz（REM Surface Engineering）的帮助。