一种评估增材制造多材料间结合强度的新型压痕技术

《Results in Materials》：A novel indentation technique for assessing bonding strength between additive manufactured multi-materials

　　

随着增材制造（additive manufacturing）的日益普及，多材料部件的使用变得越来越普遍。这种方法允许将各种材料特性集成到单个部件中，但也在不同材料之间的界面处引入了一个额外的失效点。可以采用多种方法来表征结合强度（bonding strength），尽管大多数方法需要精确加工。本研究探讨了一种替代方法，使用维氏硬度压痕（Vickers hardness indentation）压入最硬材料，靠近两种材料之间的界面。改变压痕深度（indentation depth）以及界面与压痕之间的距离会在界面中引起变化的剪切应力（shear stresses），从而使得II/III混合断裂模式（II/III mixed fracture mode）下的裂纹萌生成为可能。本文提出了一种评估多材料结合强度的新技术概念验证（proof of concept），尽管该研究仅限于青铜（bronze）和工具钢（tool steel）界面。

该研究聚焦于增材制造（additive manufacturing）中多材料部件界面结合强度的评估问题。传统方法如拉伸测试（tensile test）常导致样品在较软材料而非界面处失效，需复杂加工；而紧凑拉伸测试（compact tension testing）或搭接剪切测试（lap join shear testing）等同样依赖精确加工。维氏硬度压痕（Vickers hardness indentation）虽简便实用，但在本研究所涉及的材料组合（铝青铜和H13工具钢）中，直接压入界面无法形成可见裂纹。因此，研究人员提出一种新方法：将压痕置于硬材料（H13钢）中靠近界面处，通过改变压痕深度和距界面距离来诱导界面剪切应力，实现II/III混合断裂模式（II/III mixed fracture mode）下的裂纹萌生。该研究使用激光定向能量沉积（laser-based directed energy deposition, DED-LB）制备了铝青铜（8.5–10.75 wt% Al, 0.5–2.0 wt% Fe）与H13工具钢（5.4 wt% Cr, 0.38 wt% C, 1.38 wt% Mo, 1.18 wt% Si, 1.09 wt% V, 0.41 wt% Mn）的试样，钢表面在沉积青铜前经抛光处理以最小化材料混合。压痕测试在截面样品上进行，使用Innovatest维氏硬度试验机（3 kg和50 kg载荷）及光学显微镜（Leica MEF4 M）和二次电子显微镜（ZEISS Ultra 55 LE FEGSEM）进行表征。有限元模拟（finite element method, FEM）采用ABAQUS软件，将样品分为硬（钢）和软（青铜）两部分，设置相应力学性能（钢屈服强度1650 MPa、抗拉强度1990 MPa；青铜屈服强度400 MPa、抗拉强度700 MPa），并引入粘聚单元（cohesive elements）模拟界面损伤。主要技术方法包括：维氏压痕测试、光学与电子显微镜表征、ABAQUS显式有限元模拟及粘聚单元损伤分析。样品来源为挪威科技大学（NTNU）材料科学与工程系制备的DED-LB多材料部件。

结合强度评估的新思路。模拟发现，当压痕置于钢中靠近界面时，界面处产生显著剪切应力，裂纹萌生与压痕深度和距界面距离相关。通过光学显微镜观察到，当压痕面距界面15–20 μm时，界面出现可见裂纹；距离增至25–30 μm时界面受影响但未形成完整裂纹；距离更大则无影响。压痕置于青铜中则无裂纹。有限元模拟显示，压痕直接置于界面时，法向应力（SXX）主要为压应力，剪切应力（SXY和SXZ）峰值为350–400 MPa；卸载后法向应力变为拉应力（约550 MPa），剪切应力仅在Z方向保持。压痕置于钢中靠近界面时，界面处无拉应力，但出现剪切应力（SXY和SXZ），其大小随压痕深度增加和距界面距离减小而增大。粘聚单元模拟表明，当断裂能（fracture energy）设为0.08 N/mm时，压痕深度10 μm、距界面15 μm处发生裂纹萌生；随着距界面距离增加，需降低断裂能才能诱导裂纹。敏感性分析显示，硬材料屈服强度变化对裂纹形成深度影响较小，而软材料力学性能变化影响更大。对比两种测试模式，直接界面压痕产生混合模式I/II/III断裂，而新方法仅产生II/III混合模式断裂，且诱导应力范围更宽，适用于结合强度较高的材料组合。

研究人员开展的研究表明，该新方法通过将维氏压痕置于较硬材料靠近界面处，成功诱导出界面裂纹，裂纹源于材料力学性能差异导致的剪切应力集中。模拟与实验一致证明，裂纹萌生由剪切应力（主要SXY和SXZ）主导，属II/III混合断裂模式。研究结论为：当压痕面平行于界面时，通过改变压痕深度和距界面距离可控制系统诱导的剪切应力；该方法为概念验证，尚需建立不同材料组合力学性能与诱导应力之间的关系，以便进行跨材料比较；与直接界面压痕相比，该方法避免了结合强度过高时裂纹不可见的限制，且无需精密加工样品。论文发表在《Results in Materials》，其意义在于提供了一种简单、可重复的压痕技术，用于评估增材制造多材料部件的界面结合强度，尤其适用于高结合强度或力学性能差异显著的材料系统。未来需进一步实验校准材料参数并与其他测试方法（如II/III混合模式断裂测试）进行验证。