用于下一代结构的冷金属过渡电弧增材制造（CMT-WAAM）ER309LSi奥氏体不锈钢的应变率敏感行为与失效机理

《Next Materials》：Strain rate-sensitive behavior and failure mechanisms of additively manufactured 309LSi stainless steel for next-generation structures

　　

摘要：本研究探讨了不同十字头（crosshead）速度对采用冷金属过渡基丝弧增材制造（Cold Metal Transfer-based Wire Arc Additive Manufacturing，CMT-WAAM）成形的ER309LSi奥氏体不锈钢（Austenitic Stainless Steel，ASS）圆形墙体拉伸性能及断裂行为的影响。为理解应变率对力学行为的作用，研究人员对CMT-WAAM成形的圆形墙体取样进行拉伸试验，试验速度设定为0.1 mm/min、2 mm/min和5 mm/min。随试验速度升高，屈服强度和极限抗拉强度均提高约15–20%，符合应变率敏感特征——位错运动时间受限使变形阻力增大。但强度提升伴随塑性下降，断裂延伸率明显降低。较低试验速度下断口可见明显缩颈及大量韧窝，呈典型韧性断裂特征；随速度升高，韧性特征减弱，断口趋于平坦且塑性变形减少。显微组织以柱状奥氏体（γ-austenite）枝晶为主，基体散布少量铁素体（δ-ferrite），显微硬度约为220 HV0.5。沿90°方向取样的试样强度略高，表明材料响应受取向影响较小。上述结果明确了强度与塑性随试验速度的演变规律，为承受变应变率工况的下一代WAAM成形ER309LSi不锈钢构件开发及性能优化提供关键依据。

论文解读：

本研究发表于《Next Materials》。现有研究表明丝弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing，WAAM）凭借高沉积率和低成本在大尺寸钢结构领域具应用潜力，但WAAM成形奥氏体不锈钢（Austenitic Stainless Steel，ASS）因逐层热循环产生独特显微组织及各向异性，其力学性能与传统轧制钢存在差异。前人虽对WAAM 308LSi、316L有所探究，但针对冷金属过渡（Cold Metal Transfer，CMT）工艺沉积的ER309LSi ASS，不同取样方向（build orientation）的影响及十字头速度（crosshead speed，即加载速率）对其拉伸性能和断裂机制的作用尚缺乏系统实验数据。为此，研究人员采用CMT-WAAM制备ER309LSi ASS圆壁构件，沿0°、45°、90°三个方向截取微型拉伸试样，在三种crosshead速度（0.1、2、5 mm/min）下开展准静态拉伸试验，并结合显微硬度测试、光学显微镜（Optical Microscopy，OM）、扫描电镜（Scanning Electron Microscopy，SEM）含能谱（Energy Dispersive Spectroscopy，EDS）、X射线衍射（X-ray Diffraction，XRD）含Williamson–Hall分析，以及断口形貌观察，系统评价应变率敏感性、各向异性及失效机理。研究证实CMT-WAAM ER309LSi ASS具弱各向异性及正应变率敏感性，强度随加载速率升高而升但延性下降，断口由典型韧窝向较平坦形貌过渡，为工程应用中工艺与服役条件匹配提供依据。

主要关键技术方法：研究人员采用直径1.2 mm的ER309LSi ASS焊丝，通过Fronius CMT Advanced 4000 VR系统在旋转基板上以CMT模式层层沉积形成高约40 mm、壁厚约9 mm的圆筒形墙体（热输入0.407 kJ/mm，层间冷却120 s，氩气保护）。从墙体中部同一高度带分别沿沉积长度方向（0°）、宽度方向（90°）及对角线方向（45°）提取ASTM E8/E8M标准微型扁平拉伸试样（标距区厚度1 mm），每种取向各3个重复，分别在万能试验机上以0.1、2、5 mm/min crosshead速度拉伸以获取屈服强度（Yield Strength，YS）、极限抗拉强度（Ultimate Tensile Strength，UTS）及断裂延伸率。沿堆积方向以维氏显微硬度计（300 g保荷10 s，点距1 mm）测硬度分布。截取横截面经标准金相制样后OM观察组织形貌，SEM+EDS分析相组成及元素分布，XRD鉴定γ和δ相并通过Williamson–Hall法估算晶块尺寸、微应变及位错密度。断口经SEM观察韧窝、缩颈等形貌特征以判定断裂模式。

研究结果：

3.1 显微组织分析（Microstructural analysis）：研究人员对不同堆积层（第1、5、7、9、11、14、16层）OM及SEM观察发现，组织以沿热流方向外延生长的柱状奥氏体（γ）枝晶为主，伴残余骨架状、板条状及蠕虫状δ-铁素体。底部（第1层）晶粒较细，中部（第9层）为粗长柱状枝晶，顶部（第16层）因快冷出现等轴枝晶。各层Cr_eq/Ni_eq≈1.747，按Schaeffler图判定位FA（Ferrite-Austenite）凝固模式，室温δ-铁素体含量约6.5–7.7 FN（平均7.09 FN）。XRD检出γ相(111)(200)(220)及δ相(110)(200)(211)，第1和16层δ峰更强。Williamson–Hall分析得第1、9、16层晶块尺寸分别约15.4 nm、19.3 nm、13.9 nm，位错密度分别约4.2×10¹⁵m^?2、2.7×10¹⁵m^?2、5.2×10¹⁵m^?2，底、顶层因大热梯度和约束凝固致较高位错密度与残余应力。

3.2 力学性能（Mechanical properties）：

3.2.1 显微硬度（Microhardness）：沿堆积方向硬度均值约220 HV_0.5，底五层及顶两层硬度略高于中间层，对应底、顶层含较多板条/骨架δ-铁素体和细晶，中层以粗大柱状γ枝晶为主。WAAM件平均硬度高于传统锻轧309不锈钢（约190 HV_0.5），但层间波动更大。

3.2.2 拉伸性能（Tensile properties）：三种crosshead速度下，90°取向UTS略高于0°和45°（最大差异<6%），表现为准各向同性。随crosshead速度由0.1增至5 mm/min，0°/45°/90°的YS由约400–419 MPa升至431–453 MPa，UTS由约607–638 MPa升至661–699 MPa（增幅15–20%），断裂延伸率由约30.4–43.2%降至15.1–19.9%。表明材料具正应变率敏感性——高速加载时位错运动受限致强度升但塑性降。90°略高强度与微硬度趋势一致，关联局部δ-铁素体分数及位错亚结构。

3.3 不同十字头速度下的断口形貌（Fracture surface morphology at different crosshead speeds）：0.1 mm/min断口呈明显杯锥状，大量深韧窝及微孔聚集，属典型韧性断裂；2 mm/min仍见杯锥但韧窝变浅变少，为中等韧性断裂；5 mm/min缩颈不明显，断面较平，杯锥结构消失，仅存少量剪切唇和孤立微孔聚合痕迹，韧性特征显著减弱，趋近脆性行为。

讨论与结论总结：研究人员指出CMT-WAAM可获几何均匀、层间结合良好的ER309LSi墙体。Crosshead速度由0.1升至5 mm/min使屈服及极限抗拉强度增15–20%而延伸率降低，证实正应变率敏感性与强塑权衡关系。断口分析显示随速度增加由典型韧性韧窝向较平坦低塑性形貌渐变。各取向UTS差异<6%且硬度分散度小，在所用工艺窗口内呈准各向同性力学行为。显微组织主要为柱状γ-奥氏体枝晶伴残余δ-铁素体，热梯度和外延生长控制其形态。综上，crosshead速度显著影响CMT-WAAM ER309LSi ASS的强度与延性，须依服役工况优化；后续拟拓展疲劳、冲击韧性及腐蚀行为研究以深化工艺–性能关联认知。