《Materials Science and Engineering: A》：Tensile deformation and fracture mechanisms of wire-arc additive manufactured maraging steel from cryogenic to elevated temperatures
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摘要本研究调查了线弧增材制造（WAAM）制备的马氏体时效钢（MS）在?60°C至500°C温度范围内的拉伸性能，阐明了WAAM-MS在不同温度下的变形响应和断裂机制。结果表明，WAAM-MS在低温下表现出优异的拉伸强度，但其塑性有限。随着温度升高，MS的强度从?60°C时的1
摘要
本研究调查了线弧增材制造（WAAM）制备的马氏体时效钢（MS）在?60°C至500°C温度范围内的拉伸性能，阐明了WAAM-MS在不同温度下的变形响应和断裂机制。结果表明，WAAM-MS在低温下表现出优异的拉伸强度，但其塑性有限。随着温度升高，MS的强度从?60°C时的1465 MPa降至500°C时的937.3 MPa，而延展性则提升至26.6%。在低温条件下，形变孪晶是主要的塑性变形机制。在高温条件下，主要机制为位错滑移，在此过程中多个滑移系被激活，诱导动态再结晶（DRX）晶粒的形成。断口形貌表明，所有试样均呈现延性断裂特征，但低温下韧窝浅小，高温下韧窝深大，表明塑性协调能力随温度升高而增强。本研究为阐明WAAM-MS在极端条件下的变形和失效行为提供了数据和理论支持。
引言
马氏体时效钢（MS）是一种低碳合金钢（碳含量通常≤0.03%质量分数），含有Ni、Mo和Ti等元素。作为一种先进超高强度钢[[1], [2], [3]]，MS因其高强度、高硬度和高韧性而在国防和装甲工业中得到广泛应用[4,5]。传统上，MS部件通过铸造、锻造及后续大量加工制造而成。然而，对于具有复杂几何形状的零件，这些方法的材料利用率低（通常<50%）、生产周期长且成本高[6,7]。相比之下，增材制造（AM）技术根据三维模型数据逐层堆积材料来制造零件，在复杂部件的生产中具有独特优势[8,9]。其中，线弧增材制造（WAAM）技术以金属丝为原料，采用电弧作为热源逐层堆叠材料[10,11]。WAAM对大型复杂几何形状具有近净成形能力，同时具有高沉积速率，适合以低成本制造中大型结构部件[12,13]。WAAM逐渐成为了MS高效成形的重要解决方案[14]。
对于MS部件，许多关键零件需要在宽温度范围内服役[15,16]。例如，在极地或高海拔地区，温度经常降至?50°C以下[17,18]。低温条件对力学性能影响显著，增加了脆性断裂的风险[19,20]。深入研究可以为阐明寒冷地区设备的可靠性提供理论依据。同时，当应用于装甲车辆的武器和保护系统（如炮管、弹药舱和发射支撑结构）[21,22]时，这些部件往往承受高速摩擦产生的热效应，在300°C至600°C的热载荷下工作[23,24]。这些部件不需要在耐高温镍基合金的极端温度（高于1000°C）下工作，而是在中高温范围内服役[25]。因此，仍需要进一步研究MS在如此条件下的力学响应。
Wang等人[26]研究了不同马氏体形貌对双相钢低温冲击韧性的影响，发现马氏体对整体冲击韧性的贡献远大于铁素体。Li等人[27]采用激光粉末床熔融（LPBF）制备了MS，并研究了亚稳奥氏体在室温及低温下的作用。Hu等人[28]采用真空熔炼工艺制备了MS（M200）铸坯，研究了MS在低温下的微观组织和力学性能演变。Xu等人[29]利用热压缩实验分析了锻造MS（M250）的热变形响应，并基于各种力学模型预测了MS的高温流动行为。Ragab等人[30]在600°C下对MS进行了低周疲劳试验，揭示了高温下的循环粘弹性损伤机制。Sun等人[31]对18NiC350进行了室温和高温拉伸试验，并建立了18NiC350的本构模型。
总体而言，这些研究旨在阐明MS在宽温度范围内的变形机制。然而，WAAM固有的逐层熔化和凝固热过程导致独特的非平衡微观组织[32,33]。随着WAAM工艺的工业需求持续增长，WAAM-MS在宽温度范围内的变形和断裂行为规律在现有研究中仍然不明确。
在本研究中，采用WAAM技术制备了MS部件，并在温度范围内系统地测试了WAAM-MS的拉伸力学行为。结合多种表征技术，阐明了WAAM-MS的温度相关变形行为和断裂机制。本研究有助于从理论层面理解WAAM-MS在极端环境条件下的变形机制。
章节摘要
材料
WAAM使用的填充材料为定制MS线材。基板为316不锈钢，尺寸为300 × 300 × 20 mm3。线材和基板的化学成分见表1。WAAM系统主要由六轴机器人、焊接电源（CMT Advanced 5000）、送丝机（CMT VR7000）、控制柜、保护气和焊枪组成（图1a）。WAAM工艺参数见表2。采用WAAM制造的薄壁MS部件
力学加载前的微观组织
采用多种技术对WAAM-MS不同区域的微观组织进行了表征。金相显微镜图像显示，微观组织主要由柱状晶和等轴晶组成，如图2a–c所示。这主要归因于WAAM工艺过程中的复杂热循环。当熔池开始凝固时，凝固从熔池表面开始。在熔池底部，远离热源的位置，温度梯度
低温拉伸变形
如图4所示，WAAM-MS在?60°C时表现出最高的抗拉强度。这是由于温度降低使得位错运动的阻力增大，导致位错滑移所需的临界剪切应力急剧升高[41]。同时，在低温下，基体中溶质原子的扩散能力减弱，导致更强的钉扎效应。位错难以像室温下那样通过热激活轻易克服短程障碍[42
结论
综上所述，本研究系统地调查了WAAM制备的MS的拉伸力学性能，阐明了不同温度下的变形和断裂机制。主要研究结果总结如下。
- 1)
WAAM-MS的微观组织主要由柱状马氏体、块状马氏体及残留奥氏体组成。逐层沉积过程中反复的热循环产生了高密度位错，并促进了纳米级Ni?Ti的析出
作者贡献声明
李春杰：撰写 – 原稿撰写，方法论，调查研究，形式化分析。常新如：撰写 – 原稿撰写，调查研究。王子豪：资源，方法论。杨战清：调查研究。郭顺：撰写 – 审阅与编辑，方法论，基金获取。吴浩：调查研究。彭勇：资源，基金获取。周琦：撰写 – 审阅与编辑，资源。王克宏：资源。
利益冲突声明
作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报道的工作。
致谢
本研究受江苏省研究生科研与实践创新计划（26CXJH1132）、中央高校基本科研业务费专项基金（30924010203）和江苏省自然科学基金（批准号BK20232038）资助。
李春杰|常新如|王子豪|杨战清|郭顺|吴浩|彭勇|周琦|王克宏
南京理工大学材料科学与工程学院，南京，210094，中国
