导读：增材制造（AM）能够使用定制的架构来处理异质材料，从而提高强度和塑性的协同效应。本文采用两种钢粉按设计的结构对层状异质组织高强度钢进行增材制造。所制备的高强度钢在层、熔池和晶粒尺度处具有分层非均质特征，表现出良好的强塑性组合，强度达到1.32 GPa，伸长率达到7.5%。强度的增加归因于异质变形引起的强化。原位变形监测发现，异质结材料中有许多独特的变形带，可以延迟缩颈，提高塑性。这一发现证明了一种新的、潜在的提高材料性能的方法。

强度-塑性的权衡是工程金属材料领域存在的一个长期挑战。近年来，具有工程梯度结构、非均匀组织、孪晶和分层组织的金属材料被证明是实现高强度和高塑性的可行方法。例如，金属材料中的变形孪晶是一种重要的变形机制（不同于位错滑移原理），它导致了“孪晶诱发塑性”，同时提高了材料的强度和塑性。相比之下，异质结构材料分别受到粗晶/软相和细晶/硬相对应的“软”和“硬”区域的影响。在塑性变形过程中，异质区变形不均匀，在软区形成负应力，在硬区形成正应力，共同导致异质变形诱导（HDI）强化，同时保持良好的塑性。然而，TWIP效应只存在于有限类型的金属中。此外，传统的热机械过程（如轧制）很难控制孪晶和非均匀组织的体积分数和周期分布。这可能导致显著的各向异性和机械性能的高度不确定性。

功能梯度材料（FGM）是一种典型的异质材料，其特征是组成/成分或微观结构沿单个或多个方向发生空间变化，从而提供了一种改善应力-延性组合的有效方法，因为它们可以继承了来自它们的本构材料的不同优点（即强度，延展性和韧性）。

新加坡制造技术研究院Chaolin 谭超林联合南方科技大学材料与科学工程系研究了一种通过增材制造层状异质结构FGMs来改善高强度钢的强度-塑性组合。对其显微组织、力学性能、变形破坏机理进行了研究。这一发现为具有可控性能和功能的异质结构材料的AM加工开辟了新的研究领域。相关研究成果以题“Additive manufacturing of multi-scale heterostructured high-strength steels”发表在国际材料顶刊Materials Research Letters上。

论文链接：https://doi.org/10.1080/21663831.2021.1904299

利用LAAM加工具有可控结构的异质结构材料是一种很有前途的方法。两种材料在不同层中的交替沉积导致宏观层次结构的形成，而Marangoni流动引起的熔池稀释/混合导致了中尺度异质结构的形成。这些现象与观察到的沿微柱状晶界的元素偏析共同构成了LAAM加工高强度钢中的多尺度异质结构。异质结构材料的UTS为1.32GPa，延伸率为7.5%，与母材MS材料相比，表现出优越的强塑性组合。

图1（c，d）所示的FGM的OM形态 显示了分层架构。对于FGM-2，SS或MS层的厚度几乎是FGM-1的两倍。因此，随后沉积的SS层仅部分穿透MS层，从而在SS和MS之间形成稀释层，这是图1（d）中的灰色区域 。

图1 显示（a）FGM-1和（b）FGM-2两种层状异质结构FGM的LAAM过程的示意图；（c）FGM-1和（d）FGM-2样品沿构建方向的OM形貌和EDS图。

图2 沿建造方向对FGM-1样品进行的OM和EBSD显微组织研究。（a）显示横截面微观结构的低倍放大图像，（b）和（c）对应于从（a）中显示的MS和层边界的微观结构的选定区域中放大的图像，（d）EBSD扫描区域，（e ）和（f）GND图，（g）IPF，（h）相分布图和（i）GND密度分布。

图3 界面的高倍EBSD分析和微结构评估机制。（a）与图2（c）中标记区域相对应的层界面的EBSD扫描区域，（b）波段对比图像，（c）IPF，（d）相分布图，（e）EDS图，（f）示意图，显示了微结构评估机制和多尺度异质结构（F代表表面张力和重力之间的合力）。Marangoni对流的示意图改编自此。

图4 层状异质结构FGM的机械性能和变形行为。（a）显示穿过几层的显微硬度压痕的OM图像，（b），（a）中选定区域的硬度分布图，（c）C300 MS和FGM的工程拉伸应力-应变曲线，（d） C300 MS和FGM样品在加载和卸载测试过程中的应力应变曲线，（e）DIC监测的不同阶段的应变分布图。

图5 拉伸试验后对断裂的FGM-1样品的微观结构和断裂机理分析。（a）显示EBSD测量区域的SEM和EDS图。（b）显示SS和MS区域的SEM图像，（c）GND图，（d）在（b）中圈出的界面上的特写EBSD分析，（e）FGM-1前后的GND密度分布拉伸试验，（f）显示断裂过程的示意图。

综上所述，强度的增加这归因于异质变形引起的强化。原位变形监测揭示了许多独特的变形带，这些变形带不同于均质材料，可能有助于提高了延伸率。这些发现突出了一个新的研究领域和方法，通过使用AM处理预先设计的空间模式来规避材料的属性权衡。