導讀：增材制造（AM）能夠使用定制的架構來處理異質材料，從而提高強度和塑性的協同效應。本文采用兩種鋼粉按設計的結構對層狀異質組織高強度鋼進行增材制造。所制備的高強度鋼在層、熔池和晶粒尺度處具有分層非均質特征，表現出良好的強塑性組合，強度達到1.32 GPa，伸長率達到7.5%。強度的增加歸因于異質變形引起的強化。原位變形監測發現，異質結材料中有許多獨特的變形帶，可以延遲縮頸，提高塑性。這一發現證明了一種新的、潛在的提高材料性能的方法。

強度-塑性的權衡是工程金屬材料領域存在的一個長期挑戰。近年來，具有工程梯度結構、非均勻組織、孿晶和分層組織的金屬材料被證明是實現高強度和高塑性的可行方法。例如，金屬材料中的變形孿晶是一種重要的變形機制（不同于位錯滑移原理），它導致了“孿晶誘發塑性”，同時提高了材料的強度和塑性。相比之下，異質結構材料分別受到粗晶/軟相和細晶/硬相對應的“軟”和“硬”區域的影響。在塑性變形過程中，異質區變形不均勻，在軟區形成負應力，在硬區形成正應力，共同導致異質變形誘導（HDI）強化，同時保持良好的塑性。然而，TWIP效應只存在于有限類型的金屬中。此外，傳統的熱機械過程（如軋制）很難控制孿晶和非均勻組織的體積分數和周期分布。這可能導致顯著的各向異性和機械性能的高度不確定性。

功能梯度材料（FGM）是一種典型的異質材料，其特征是組成/成分或微觀結構沿單個或多個方向發生空間變化，從而提供了一種改善應力-延性組合的有效方法，因為它們可以繼承了來自它們的本構材料的不同優點（即強度，延展性和韌性）。

新加坡制造技術研究院Chaolin 譚超林聯合南方科技大學材料與科學工程系研究了一種通過增材制造層狀異質結構FGMs來改善高強度鋼的強度-塑性組合。對其顯微組織、力學性能、變形破壞機理進行了研究。這一發現為具有可控性能和功能的異質結構材料的AM加工開辟了新的研究領域。相關研究成果以題“Additive manufacturing of multi-scale heterostructured high-strength steels”發表在國際材料頂刊Materials Research Letters上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1080/21663831.2021.1904299

利用LAAM加工具有可控結構的異質結構材料是一種很有前途的方法。兩種材料在不同層中的交替沉積導致宏觀層次結構的形成，而Marangoni流動引起的熔池稀釋/混合導致了中尺度異質結構的形成。這些現象與觀察到的沿微柱狀晶界的元素偏析共同構成了LAAM加工高強度鋼中的多尺度異質結構。異質結構材料的UTS為1.32GPa，延伸率為7.5%，與母材MS材料相比，表現出優越的強塑性組合。

圖1（c，d）所示的FGM的OM形態 顯示了分層架構。對于FGM-2，SS或MS層的厚度幾乎是FGM-1的兩倍。因此，隨后沉積的SS層僅部分穿透MS層，從而在SS和MS之間形成稀釋層，這是圖1（d）中的灰色區域 。

圖1 顯示（a）FGM-1和（b）FGM-2兩種層狀異質結構FGM的LAAM過程的示意圖；（c）FGM-1和（d）FGM-2樣品沿構建方向的OM形貌和EDS圖。

圖2 沿建造方向對FGM-1樣品進行的OM和EBSD顯微組織研究。（a）顯示橫截面微觀結構的低倍放大圖像，（b）和（c）對應于從（a）中顯示的MS和層邊界的微觀結構的選定區域中放大的圖像，（d）EBSD掃描區域，（e ）和（f）GND圖，（g）IPF，（h）相分布圖和（i）GND密度分布。

圖3 界面的高倍EBSD分析和微結構評估機制。（a）與圖2（c）中標記區域相對應的層界面的EBSD掃描區域，（b）波段對比圖像，（c）IPF，（d）相分布圖，（e）EDS圖，（f）示意圖，顯示了微結構評估機制和多尺度異質結構（F代表表面張力和重力之間的合力）。Marangoni對流的示意圖改編自此。

圖4 層狀異質結構FGM的機械性能和變形行為。（a）顯示穿過幾層的顯微硬度壓痕的OM圖像，（b），（a）中選定區域的硬度分布圖，（c）C300 MS和FGM的工程拉伸應力-應變曲線，（d） C300 MS和FGM樣品在加載和卸載測試過程中的應力應變曲線，（e）DIC監測的不同階段的應變分布圖。

圖5 拉伸試驗后對斷裂的FGM-1樣品的微觀結構和斷裂機理分析。（a）顯示EBSD測量區域的SEM和EDS圖。（b）顯示SS和MS區域的SEM圖像，（c）GND圖，（d）在（b）中圈出的界面上的特寫EBSD分析，（e）FGM-1前后的GND密度分布拉伸試驗，（f）顯示斷裂過程的示意圖。

綜上所述，強度的增加這歸因于異質變形引起的強化。原位變形監測揭示了許多獨特的變形帶，這些變形帶不同于均質材料，可能有助于提高了延伸率。這些發現突出了一個新的研究領域和方法，通過使用AM處理預先設計的空間模式來規避材料的屬性權衡。