《Materials & Design》：In-situ investigations of tensile and fracture behavior of 316?L stainless steel lattice struts fabricated by laser powder bed fusion
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摘要翻译：
原位X射线计算机断层扫描在拉伸测试过程中揭示了激光粉末床熔融制备的316L点阵支柱中缺陷驱动的失效机制。水平构建的支柱由于松散粉末的支撑有限，表现出几何不规则性，如翘曲、滴落效应和不规则横截面。水平支柱的断裂起始于最小横截面区域，颈缩先于裂纹扩展并
摘要翻译：
原位X射线计算机断层扫描在拉伸测试过程中揭示了激光粉末床熔融制备的316L点阵支柱中缺陷驱动的失效机制。水平构建的支柱由于松散粉末的支撑有限，表现出几何不规则性，如翘曲、滴落效应和不规则横截面。水平支柱的断裂起始于最小横截面区域，颈缩先于裂纹扩展并降低了延展性。垂直构建的支柱在保持均匀横截面的同时，表现出较高比例的近表面球形孔隙率。垂直支柱中的裂纹在表面附近的气孔处形核，导致断裂延迟和更高的失效应变。研究人员利用深度学习框架Simurgh将XCT扫描所需的投影数量减少了约75%，从而提高了扫描通量。拉伸测试期间采集的X射线照片用于测量试样应变，提供了一种替代且精确的应变测量方法。XCT的非破坏性特性使得能够在测试过程中的多个间隔处可视化三维结构，为水平与垂直构建支柱的断裂机制中制造缺陷的作用提供了详细见解。该机理研究辅以电子背散射衍射和断口分析，以提供更高分辨率的失效机制数据。本研究为水平与垂直构建的点阵支柱中缺陷的演变及其对这些支柱拉伸和断裂行为的影响提供了全面的定量见解，直接确定了各构建取向中众多缺陷特征中哪些主导了失效起始并影响力学性能，从而为接近PBF-LB分辨率极限的薄支柱点阵结构的缺陷知情设计提供了机理基础。
论文解读
**一、研究背景与问题**
点阵材料通过在结构内部重复排列单元胞，实现了显著减重的同时满足力学性能要求，在汽车、航空航天、核反应堆等领域具有广阔的应用前景。这类结构通常借助增材制造技术制备，其中激光粉末床熔融（PBF-LB）因具有优异的尺寸精度和制造细小特征的能力而尤为适用。然而，PBF-LB过程中涉及的粉末铺展与熔合、熔池动力学、蒸发效应及快速热循环等复杂热物理现象，不可避免地引入制造缺陷。在基于支柱的点阵结构中，这些缺陷会降低单根支柱的性能，进而影响整体结构的力学响应。已有研究表明，增材制造支柱的性能明显逊于同材质的块体材料，且当支柱厚度接近制造工艺的分辨率极限时，异质性和内部缺陷的影响更为显著。此外，点阵结构的复杂性要求支柱以不同取向打印，而相对于构建方向呈水平取向的支柱仅由松散粉末支撑，表现出更多的几何不规则性和较差的表面质量。尽管已有大量研究致力于表征支柱中的缺陷并评估其性能，但制造缺陷限制支柱性能的机制尚未得到全面理解，尤其是对于尺寸接近PBF-LB工艺分辨率极限的支柱，水平制造支柱固有的几何不规则性如何导致应变局部化和最终失效，缺乏机理层面的认识。因此，有必要在机械加载过程中实时观察缺陷的演变，以直接回答这一问题。
**二、研究内容与结论**
本研究针对上述问题，利用X射线计算机断层扫描（XCT）仪器内的原位拉伸测试，研究了水平构建和垂直构建的316L不锈钢点阵支柱的拉伸与断裂行为。通过在从未变形状态到失效起始直至最终断裂的多个加载阶段捕获同一试样的三维结构，首次直接确定了各构建取向中哪些制造缺陷主导失效起始，以及它们如何驱动水平与垂直支柱之间对比鲜明的力学响应。支柱的名义厚度为0.5 mm，接近工艺分辨率极限。研究采用深度学习框架Simurgh将XCT扫描所需投影数量减少约75%，从而在测试期间更频繁地采集三维扫描。拉伸测试期间采集的X射线照片用于测量试样应变，提供了一种替代且精确的应变测量方法。此外，研究还结合了电子背散射衍射（EBSD）和断口分析，以获得更高分辨率的失效机制数据。研究结果表明：水平构建支柱因松散粉末支撑不足而表现出显著的翘曲、滴落效应和不规则横截面，最小横截面积区域成为强度限制缺陷，断裂始终在这些区域起始，颈缩先于裂纹扩展，导致延展性降低；垂直构建支柱横截面均匀，但孔隙率比水平支柱高约4至8倍，孔隙呈高球形度并主要分布于近表面区域，裂纹在表面附近的气孔处形核，使得断裂延迟并获得更高的失效应变。该研究为点阵结构薄支柱架构的缺陷知情设计提供了机理基础，强调了在点阵结构设计中考虑取向感知设计的重要性。论文发表在《Materials》。
**三、主要技术方法**
本研究主要采用了以下关键技术方法：
1. 原位X射线计算机断层扫描（XCT）：在拉伸测试过程中对同一试样进行多次三维扫描，实时观察缺陷演变与断裂过程。
2. 基于深度学习的Simurgh图像重建框架：减少XCT扫描所需投影数量约75%，提高扫描通量。
3. 数字图像相关应变测量：利用X射线照片测量支柱伸长量，计算工程应变。
4. 电子背散射衍射（EBSD）：分析支柱的晶粒结构、尺寸及取向。
5. 扫描电子显微镜（SEM）断口分析：观察断裂表面形貌，确定失效机制。
6. 离位拉伸测试：使用Instron试验机和视频引伸计对额外样品进行测试，增加数据统计量并验证应变测量方法。
7. 高分辨率XCT扫描：对垂直构建样品进行像素尺寸为1.8 μm的高分辨率扫描，以更精确地评估孔隙的尺寸与形状。
样本由Phillips Corporation通过EOS合作制造，在Idaho国家实验室（INL）完成表征测试。
**四、研究结果**
**1. 点阵支柱的三维结构**
通过XCT重建发现，水平构建支柱表现出显著的翘曲和滴落效应导致的几何不规则性，横截面积沿标距段变化剧烈，最小横截面积比平均横截面积小19.6%至32.8%。垂直构建支柱较为笔直，截面均匀，最小横截面积仅比平均值小4.3%至6.3%。两类支柱均存在内部孔隙，但垂直支柱的孔隙率比水平支柱高约4至8倍。
**2. 拉伸行为**
利用X射线照片测量应变得出的应力-应变曲线与基于横梁位移的曲线存在显著差异，验证了精确应变测量的重要性。水平构建支柱的平均屈服应力约为垂直支柱的1.7倍，极限应力也更高；但垂直支柱的失效应变（0.485 ± 0.041）显著高于水平支柱（0.239 ± 0.026）。两种取向支柱的屈服应力和极限应力均满足ASTM A240标准要求，但水平支柱的失效应变低于标准值0.400。
**3. 断裂机制**
原位XCT观察显示，水平支柱的断裂始终起始于最小横截面积区域。在拉伸过程中，这些区域首先发生局部颈缩，随后裂纹萌生并扩展，最终导致支柱断裂。定量分析证实，最小横截面积最大的支柱最后断裂，表明这些区域是水平支柱的强度限制缺陷。垂直支柱的断裂则由近表面气孔主导。原位图像显示，表面气孔在加载过程中张开并形成裂纹，裂纹沿垂直于加载方向扩展或穿过邻近气孔，最终导致断裂。部分支柱中，颈缩发生在气孔附近区域，气孔被拉开至表面后引发断裂。SEM断口分析显示，两种取向支柱的断口表面均布满韧窝，表明微观尺度上均为韧性断裂，由微孔聚集机制主导。EBSD分析表明，水平支柱沿加载方向的平均晶粒截距长度小于垂直支柱，晶粒尺寸差异可解释水平支柱更高的屈服强度。
**五、讨论与结论**
讨论部分指出，垂直支柱中较高的近表面孔隙率可能与EOS系统的分区扫描策略有关。轮廓先于芯部打印，熔池与已凝固轮廓边界之间的相互作用以及Marangoni对流可能将气体携带至界面处形成气孔。此外，激光在边缘减速转向时可能从传导模式过渡到锁孔模式，锁孔坍塌时会将气体截留形成近表面球形气孔。水平支柱中观察到的较小晶粒尺寸可能与下表面区域采用降低能量密度的下皮参数有关，同时也受到构建顺序热效应的影响。水平支柱的断裂由最小横截面积区域主导，而垂直支柱的断裂由近表面气孔主导。研究表明，并非所有几何缺陷对失效的贡献相同，横截面积的临界缩减才是断裂起始的关键因素。对于厚度为0.4 mm和0.5 mm的水平支柱，最小横截面积显著小于平均值，而随着支柱厚度增加，这种差异减小，表明较厚支柱受几何不规则性的影响较小。研究结论如下：水平构建支柱因松散粉末支撑不足而表现出翘曲、滴落和不规则横截面等几何缺陷，最小横截面积是断裂起始的先导位置；垂直构建支柱孔隙率更高，孔隙呈球形且位于近表面；原位XCT观察证实水平支柱的断裂始终在最小横截面积区域起始，局部几何减薄主导失效起始并导致延展性降低；垂直支柱由于不存在截面的急剧缩减而延迟了断裂起始，获得了更高的失效应变，裂纹在表面附近气孔处形核并扩展。该研究为点阵结构的缺陷知情设计和工艺优化提供了重要的机理依据。
