史同亞，劉東升，陳 偉，謝普初，汪小鋒，王永剛

（寧波大學(xué)沖擊與安全工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 寧波 315211）

近年來(lái)，金屬增材制造技術(shù)發(fā)展迅猛，主要有激光選區(qū)熔化法(selective laser melting, SLM)、電子束選區(qū)熔化法、激光熔融沉積法等，其中SLM應(yīng)用最廣泛[1-2]。波音公司、空客公司、GE航空、中航成飛和沈飛都采用SLM來(lái)生產(chǎn)不同的飛機(jī)零部件，并應(yīng)用于新航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)，以期降低飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量，提高其有效推重比。目前制約大型金屬構(gòu)件SLM制造發(fā)展和應(yīng)用的瓶頸是加工過(guò)程中內(nèi)部缺陷控制問(wèn)題[3]。內(nèi)部缺陷產(chǎn)生將直接影響增材制造金屬材料的力學(xué)性能。因此，關(guān)于增材制造金屬材料的微觀組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能亟待人們開(kāi)展相關(guān)研究。

國(guó)內(nèi)，王沛等[4]研究了不同加工工藝參數(shù)對(duì)SLM制備的316不銹鋼材料致密性的影響。呂豪等[5]研究了熱處理狀態(tài)對(duì)SLM 制備GH4099合金的顯微組織與靜態(tài)拉伸性能的影響。尹燕等[6]研究了SLM制備316L不銹鋼微觀組織及靜態(tài)拉伸力學(xué)性能。王志會(huì)等[7]研究了SLM制備AF1410超高強(qiáng)度鋼的微觀組織與力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)熱處理后試樣硬度、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有提高。國(guó)外，Yadollahi等[8]研究了SLM成型方向以及熱處理對(duì)17-4PH不銹鋼的影響，揭示了成型方向?qū)υ嚇拥臏?zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能具有很大的影響，而通過(guò)熱處理無(wú)法徹底消除這些影響。Suryawanshi等[9]對(duì)SLM工藝制備的316L不銹鋼的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了研究，得出了SLM制備的316L不銹鋼的裂紋擴(kuò)展機(jī)理。Wang等[10]通過(guò)SLM技術(shù)制造出的奧氏體316L不銹鋼，發(fā)現(xiàn)其屈服強(qiáng)度與拉伸延展性的性能組合超越傳統(tǒng)鍛造316L不銹鋼。Sun等[11]對(duì)比分析熱處理工藝對(duì)增材制造和鍛造17-4PH不銹鋼微觀結(jié)構(gòu)演化的影響。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)SLM制備的許多金屬材料的微觀組織和力學(xué)性能已開(kāi)展了一些的研究工作，但主要局限于工藝參數(shù)的影響，力學(xué)性能方面研究則集中在準(zhǔn)靜態(tài)加載條件下。近年來(lái)，沖擊加載下增材制造金屬材料的力學(xué)性能研究也引起了大家關(guān)注。Gray等[12]研究了SLM制備的316L不銹鋼材料的動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能和層裂特性，并討論了熱處理的影響，同時(shí)還與鍛造316L不銹鋼的力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比分析。Song等[13]采用分離式Hopkinson壓/拉桿對(duì)SLM制備的304L不銹鋼的動(dòng)態(tài)拉伸與壓縮力學(xué)性能開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)SLM制備的304L不銹鋼的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度比鍛造304L不銹鋼高出20%以上。McWilliams 等[14]研究了激光掃描路徑和熱處理工藝對(duì)SLM制備的17-4PH不銹鋼動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)響應(yīng)的影響規(guī)律。

本文中擬采用SLM法制備GP1不銹鋼板條狀拉伸試樣和層裂圓片試樣。利用HTM-5020 高速拉伸試驗(yàn)機(jī)與動(dòng)態(tài)數(shù)字圖像相關(guān)性(digital image correlation, DIC)全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量技術(shù)結(jié)合，對(duì)板條試樣開(kāi)展寬廣應(yīng)變率范圍內(nèi)(10-2～103s-1)的動(dòng)態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)，討論增材制造GP1不銹鋼拉伸力學(xué)響應(yīng)的應(yīng)變率效應(yīng)。再利用一級(jí)輕氣炮和激光干涉粒子速度測(cè)量技術(shù)，對(duì)圓片試樣開(kāi)展層裂實(shí)驗(yàn)研究，研究一維應(yīng)變條件下增材制造GP1不銹鋼材料的動(dòng)態(tài)拉伸斷裂特性。最后，對(duì)拉伸斷裂斷口進(jìn)行金相顯微分析，揭示材料的拉伸斷裂機(jī)制，并討論應(yīng)變率和應(yīng)力狀態(tài)的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與制備工藝

實(shí)驗(yàn)選用的金屬粉末材料為EOS公司所提供的GP1不銹鋼粉末，應(yīng)用能譜儀對(duì)GP1不銹鋼成分進(jìn)行定量測(cè)定。GP1不銹鋼粉末化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：Si，0.63%；Cr，17.54%；Fe，74.14%；Ni，4.33%；Mn，0.61%；C，0.05%；Cu，2.69%。GP1不銹鋼粉末化學(xué)成分與美標(biāo)的17-4 PH不銹鋼成分基本一致。GP1不銹鋼粉末的掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)形貌如圖1所示，平均粒徑為40 μm，粒徑分布如圖2所示。試樣制備使用德國(guó)EOS M280金屬3D打印機(jī)，該設(shè)備采用功率為400 W的Yb-fibre激光器，其中最大成型尺寸為250 mm×250 mm×325 mm，掃描方式為振鏡掃描，最大的掃描速度為7 m/s。針對(duì)GP1不銹鋼粉末，激光燒結(jié)工藝參數(shù)：掃描速度，1 000 mm/s；鋪粉速度，80 mm/s；激光功率，400 W；層厚，20 μm；預(yù)熱溫度，80 ℃。試樣成型過(guò)程中充入氮?dú)庾鳛槎栊员Ｗo(hù)氣體，防止試樣在成型過(guò)程中氧化[15]。圖3給出了板條試樣設(shè)計(jì)尺寸、成型后的板條試樣照片及成型過(guò)程示意圖。

圖1 GP1不銹鋼粉末掃描電子顯微鏡形貌Fig. 1 Scanning electron microscope morphology of GP1 stainless steel powder

圖2 粒徑分布圖Fig. 2 Powder size distribution for GP1 stainless steel powder

實(shí)驗(yàn)前，首先對(duì)SLM法制備的GP1不銹鋼試樣的微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。圖4給出了試樣標(biāo)距段的橫截面與縱表面光學(xué)金相照片和局部放大照片。從圖4可以看到：(1)無(wú)論是橫截面還是縱表面，都顯示材料的致密性是非常好的，沒(méi)有觀察到明顯的缺陷點(diǎn)；(2)在橫截面局部放大照片上可以清楚地觀察一層層近似半圓形的激光熔池邊界線，熔池之間有明顯交疊現(xiàn)象，熔池深度約30 μm，超過(guò)粉末鋪層厚度；(3)激光熔池排列并不規(guī)則，這是由于層與層之間激光掃描路徑與策略不同；(4)在縱表面局部放大照片上可以看到大小不等的橢圓狀激光掃描路徑邊界線。為了進(jìn)一步觀測(cè)GP1不銹鋼的微觀組織，采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)GP1不銹鋼的橫截面與縱表面進(jìn)行電子背散射衍射(electron backscattered diffraction,EBSD)表征，如圖5所示。圖5顯示：激光選取熔化制備的GP1不銹鋼的晶粒大小和形狀都非常不均勻，以粗大柱狀晶粒為主。

圖3 試樣設(shè)計(jì)尺寸、成型后試樣照片以及成型工藝過(guò)程示意圖Fig. 3 Sample design dimension, sample photograph after moulding and schematic diagram of moulding process

圖4 激光選區(qū)熔化法制備的GP1不銹鋼光學(xué)顯微結(jié)構(gòu)Fig. 4 Optical images of GP1 stainless steel processed by selective laser melting

圖5 激光選區(qū)熔化法制備的GP1不銹鋼顯微結(jié)構(gòu)的電子背散射衍射表征Fig. 5 Electron backscattered diffraction images of GP1 stainless steel processed by selective laser melting

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

1.2.1 單軸拉伸實(shí)驗(yàn)

采用HTM-5020液壓伺服高速拉伸試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展單軸拉伸實(shí)驗(yàn)，如圖6所示。該試驗(yàn)機(jī)有閉環(huán)和開(kāi)環(huán)兩種加載控制模式，加載速度范圍為 0.1 mm/s～20 m/s，本實(shí)驗(yàn)中選擇了 0.2、2、20、200 mm/s，2、8、12 m/s等7種加載速度。由于試樣標(biāo)距段長(zhǎng)20 mm，不同加載速度所對(duì)應(yīng)的試樣拉伸應(yīng)變率分別為10-2、10-1、100、101、102、4×102、6×102s-1。除 0.2、2 mm/s采用閉環(huán)加載控制模式外，其余加載速度都采用開(kāi)環(huán)加載控制模式。在每個(gè)應(yīng)變率下，重復(fù)性做3次實(shí)驗(yàn)，以確定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在拉伸應(yīng)變率10-2～102s-1條件下，試樣的加載力由試驗(yàn)機(jī)上的壓電式測(cè)力傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)。在高應(yīng)變率拉伸時(shí)，HTM-5020高速拉伸試驗(yàn)機(jī)的壓電式測(cè)力傳感器記錄的力時(shí)程數(shù)據(jù)往往會(huì)出現(xiàn)較大幅度的振蕩，從而嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果精度。這里采用在試樣夾持段合適位置粘貼應(yīng)變片來(lái)直接測(cè)量加載力時(shí)程，如圖7所示。試樣尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，要保證試樣夾持段截面積遠(yuǎn)大于標(biāo)距段截面積，使得夾持段始終處于彈性變形范圍內(nèi)[16]，隨后利用試樣夾持段實(shí)測(cè)的應(yīng)變乘以材料彈性模量即得到加載力。試樣標(biāo)距段應(yīng)變則采用數(shù)字圖像相關(guān)性全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量技術(shù)[17-19]來(lái)監(jiān)測(cè)。

圖6 HTM-5020高速拉伸材料試驗(yàn)機(jī)、試樣夾具及試樣散斑圖Fig. 6 HTM-5020 high-speed machine, sample fixture, and speckle image of specimen

圖7 應(yīng)變片粘貼在GP1不銹鋼試樣的位置Fig. 7 Position of strain gauge pasted on GP1 stainless steel specimen

1.2.2 平板撞擊層裂實(shí)驗(yàn)

平板撞擊層裂實(shí)驗(yàn)是研究材料在一維應(yīng)變條件下?lián)p傷演化及層裂強(qiáng)度的重要實(shí)驗(yàn)手段[20-21]。實(shí)驗(yàn)在內(nèi)徑為57 mm的一級(jí)輕氣炮上進(jìn)行，采用全光纖激光位移干涉系統(tǒng)(displacement interferometer system for any reflector, DISAR)[22]來(lái)監(jiān)測(cè)樣品自由面速度時(shí)程曲線，飛片擊靶速度由電刷子探針測(cè)得，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖8所示。試樣的厚度為3.6 mm，直徑為40 mm；飛片的厚度為1.75 mm，直徑為53 mm，實(shí)驗(yàn)采取對(duì)稱碰撞方式。當(dāng)飛片高速撞擊樣品后，在飛片和樣品中同時(shí)產(chǎn)生壓縮沖擊波，壓縮沖擊波在飛片和樣品的自由面分別反射得到兩束稀疏波，這兩束稀疏波在材料內(nèi)部相遇后產(chǎn)生拉伸應(yīng)力, 當(dāng)拉伸應(yīng)力作用下材料內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)損傷，隨著拉伸應(yīng)力不斷增大，損傷區(qū)域不斷演化，直至最后完全斷裂。

圖8 層裂實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig. 8 Schematics of the setup for spallation experiment

2 結(jié)果與分析

2.1 單軸拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析之前，有必要考察一下HTM-5020高速試驗(yàn)機(jī)閉環(huán)和開(kāi)環(huán)加載控制穩(wěn)定性。圖9給出了閉環(huán)控制模式下加載速度時(shí)程曲線以及力時(shí)程曲線，從圖中可以看到：加載速度滿足恒速加載條件，力時(shí)程曲線也較光滑。圖10給出了開(kāi)環(huán)加載控制模式下加載速度時(shí)程曲線，結(jié)果顯示：(1) 加載速度基本上可以維持穩(wěn)定，保證了試樣的恒定應(yīng)變率加載條件，這一點(diǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的Hopkinson拉桿實(shí)驗(yàn)。圖11則給出了開(kāi)環(huán)加載控制模式下力時(shí)程曲線，圖中顯示：當(dāng)速度較低(0.2、2 m/s)時(shí)，壓電式測(cè)力傳感器測(cè)得的力時(shí)程曲線較光滑；但當(dāng)速度較高(8、12 m/s)時(shí)，由于傳感器頻響及共振等原因，力時(shí)程曲線上出現(xiàn)了較大震蕩，嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)精度。因此，為了獲得較準(zhǔn)確的力時(shí)程數(shù)據(jù)，在高應(yīng)變率加載時(shí)必須采用上述的應(yīng)變片直接測(cè)量技術(shù)。圖11中顯示的應(yīng)變片測(cè)得的力時(shí)程數(shù)據(jù)較光滑。

圖9 閉環(huán)控制時(shí)力與速度時(shí)程曲線Fig. 9 Force and velocity profiles under closed loading control mode

圖10 不同應(yīng)變率下的加載速度時(shí)程曲線Fig. 10 Velocity profiles at different strain rates

試樣的拉伸應(yīng)變采用DIC方法進(jìn)行測(cè)量。圖12給出了應(yīng)變率為10-2s-1下的不同時(shí)刻DIC分析得到試樣標(biāo)距段的全場(chǎng)應(yīng)變分布云圖，圖中顯示：變形前期階段試樣表面應(yīng)變分布較均勻，但到變形后期試樣表面應(yīng)變會(huì)出現(xiàn)明顯的局域化，與加載方向夾角約45°，這表明應(yīng)變局域化主要是由剪應(yīng)力引起的。

圖13給出了GP1不銹鋼在10-2～6×102s-1應(yīng)變率下拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。首先對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的初始線性段進(jìn)行直線擬合，獲得增材制造GP1不銹鋼的楊氏模量約為160 GPa，明顯低于普通碳鋼。其次，觀察到GP1不銹鋼流動(dòng)應(yīng)力具有比較顯著的應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)，該應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)的物理機(jī)制并不是傳統(tǒng)的位錯(cuò)塞積而是奧氏體到馬氏體相變。圖14給出了原始試樣、0.2 m/s及12 m/s拉伸速度下回收試樣奧氏體和馬氏體體積分?jǐn)?shù)的EBSD表征結(jié)果，其中黃色代表晶體結(jié)構(gòu)為FCC的奧氏體，紅色代表晶體結(jié)構(gòu)為體心立方(body-centered cubic, BCC)的馬氏體。Clausen等[23]曾采用原位中子衍射法發(fā)現(xiàn)增材制造GP1不銹鋼無(wú)論在準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮還是拉伸加載下均會(huì)發(fā)生明顯的奧氏體到馬氏體相變過(guò)程，隨著馬氏體相體積分?jǐn)?shù)增加，材料強(qiáng)度不斷增大。從圖13還可以觀察到GP1不銹鋼在低應(yīng)變率下有明顯的上屈服點(diǎn)和下屈服點(diǎn)，隨著應(yīng)變率升高，這種現(xiàn)象逐漸消失。最后，圖13顯示：隨著應(yīng)變率的升高，初始屈服應(yīng)力明顯增大，特別是當(dāng)應(yīng)變率為400 s-1和600 s-1時(shí)，屈服應(yīng)力增大尤為顯著，同時(shí)斷裂應(yīng)變顯著減小。這一現(xiàn)象可能也不僅僅歸因于應(yīng)變率的影響，也與材料中微觀結(jié)構(gòu)演化相關(guān)。圖14(c)中高速拉伸加載下沒(méi)有觀察到馬氏體體積分?jǐn)?shù)增大，反而略有減小，但馬氏體分布更均勻化，具有很好的強(qiáng)化效果，其中原因值得進(jìn)一步深入研究。已有學(xué)者指出在低應(yīng)變率下材料變形時(shí)間長(zhǎng)，有充分時(shí)間實(shí)現(xiàn)位錯(cuò)滑移，因而促進(jìn)了馬氏體相變；在高應(yīng)變率下材料變形時(shí)間短，產(chǎn)生的絕熱溫升會(huì)增加奧氏體的穩(wěn)定性，并且會(huì)抑制馬氏體的相變[24]。圖15給出了GP1不銹鋼屈服應(yīng)力隨應(yīng)變率的變化曲線，采用Cowper等提出的冪指數(shù)模型[25]對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合：

圖11 不同應(yīng)變率下的力時(shí)程曲線Fig. 11 Force profiles at different strain rates

圖12 不同時(shí)刻的GP1不銹鋼試樣標(biāo)距段應(yīng)變分布云圖(應(yīng)變率為10-2 s-1)Fig. 12 Strain distributions of GP1 stainless sample at different times (strain rate is 10-2 s-1)

圖13 不同應(yīng)變率下GP1不銹鋼的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 13 True stress-true strain curves of GP1 stainless steel at different strain rates

式中：σ為材料屈服應(yīng)力，為應(yīng)變率；σ0、p和c為擬合參數(shù)，擬合結(jié)果為σ0=535 MPa，c=2 655 s-1，p=0.26。

圖14 GP1不銹鋼中奧氏體和馬氏體體積分?jǐn)?shù)電子背散射衍射表征(黃色代表奧氏體，紅色代表馬氏體)Fig. 14 Electron backscattered diffraction characterizations of volume fraction for austenite and martensite in GP1 stainless steel(yellow represents austenite, red represents martensite)

圖15 GP1不銹鋼屈服應(yīng)力隨著應(yīng)變率的變化曲線Fig. 15 Yield stress variation of GP1 stainless steel with strain rate

圖16 不同初始速度下GP1不銹鋼的自由面速度剖面Fig. 16 Free-surface velocity profiles of GP1 stainless steel at different initial velocities

2.2 層裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)設(shè)置不同的驅(qū)動(dòng)氣體壓力值來(lái)改變飛片擊靶速度，實(shí)驗(yàn)設(shè)置了3組不同加載氣壓值，分別得到了飛片速度為250、270和350 m/s。圖16給出了3組不同速度撞擊條件下實(shí)測(cè)的自由面速度時(shí)程曲線，自由面速度曲線上初始拐點(diǎn)（圖中箭頭所示初）對(duì)應(yīng)于材料的雨貢紐彈性極限(Hugoniot elastic limit, HEL)σHEL，同時(shí)在自由面速度曲線也觀察到明顯反映層裂破壞的Pull-back信號(hào)[26-27]。根據(jù)雨貢紐彈性極限可以計(jì)算材料的屈服強(qiáng)度，而利用Pull-back回跳信號(hào)的幅值速度Δu可以近似計(jì)算出材料層裂強(qiáng)度[28]，計(jì)算公式分別如下：

式中：μ為GP1不銹鋼的泊松比，0.3；σy為材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度。屈服應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，同時(shí)也添加在圖15中，發(fā)現(xiàn)可以采用統(tǒng)一參數(shù)來(lái)描述屈服應(yīng)力隨應(yīng)變率的變化的關(guān)系：

式中：σs為材料的層裂強(qiáng)度；ρ為GP1不銹鋼的密度，7 800 kg/m3；cb為材料的體聲波速，5 700 m/s；其Δu為自由面速度最大值與信號(hào)第一次反彈時(shí)自由面速度最小值之差。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，從中得到GP1不銹鋼的層裂強(qiáng)度隨飛片撞擊增大而略有小幅度減少。

表1 一維應(yīng)變平板撞擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of one-dimensional strain plane impact test

2.3 斷裂機(jī)制討論

2.3.1 單軸拉伸斷裂機(jī)理

圖17 不同應(yīng)變率下GP1不銹鋼的宏觀斷口以及微觀形貌Fig. 17 Macro-fracture and micro-morphology of GP1 stainless steel at different strain rates

利用基恩士VHX-1000超景深光學(xué)顯微鏡和場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)單軸拉伸下增材制造GP1不銹鋼試樣的斷口進(jìn)行顯微金相分析。圖17給出了不同應(yīng)變率下的試樣斷口宏觀光學(xué)三維重構(gòu)形貌和SEM顯微形貌。在準(zhǔn)靜態(tài)下(10-2s-1)試樣斷口平面與拉應(yīng)力方向約成45°，這表明斷裂模式是剪切斷裂，而從斷口SEM顯微形貌中可以看出斷口處有高密度小韌窩，在小韌窩周圍有一些很小的孔洞，韌窩排列方向與裂紋擴(kuò)展方向一致。隨著應(yīng)變率增大(10 s-1)，從宏觀斷口三維重構(gòu)形貌合成圖可以觀察到試樣斷口呈不規(guī)則面，與拉應(yīng)力方向接近垂直，這表明了斷裂模型開(kāi)始從剪切斷裂向拉伸斷裂轉(zhuǎn)變，SEM顯微形貌仍然觀察到高密度小韌窩，同時(shí)也觀察一些深度很大的大韌窩。當(dāng)應(yīng)變率進(jìn)一步增大(600 s-1)，試樣斷口與拉應(yīng)力之間夾角約51°，斷裂模型主要是剪切斷裂，從SEM顯微形貌可以看一些非常淺的高密度小韌窩，同時(shí)觀察到一些類似于舌苔狀的平滑區(qū)，這表明材料斷裂機(jī)制從韌性斷裂向脆性斷裂轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致GP1不銹鋼高應(yīng)變率下的拉伸斷裂應(yīng)變明顯減小。

2.3.2 層裂試樣的損傷演化與斷口金相分析

把不同撞擊速度下軟回收試樣從中心切開(kāi)，再通過(guò)金相制樣工藝處理后，在VHX1000光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀測(cè)，斷面形貌如圖18所示。在初始速度為250 m/s時(shí)，試樣發(fā)生初始層裂，層裂面周圍出現(xiàn)了大量微孔洞，其中中間區(qū)域微孔洞已相互貫通形成裂紋；隨著速度進(jìn)一步增高到270 m/s時(shí)，試樣中心處裂紋已基本完全貫通，形成了斷口面；當(dāng)速度增高為350 m/s時(shí)，試樣已經(jīng)發(fā)生完全層裂，并且層裂片變形嚴(yán)重，試樣外形呈現(xiàn)鼓包狀。為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)損傷成核與長(zhǎng)大機(jī)制，我們對(duì)初始層裂試樣進(jìn)步局部切割與細(xì)磨，通過(guò)腐蝕液進(jìn)行輕微腐蝕，得到局部放大損傷演化形貌如圖19所示，從中清楚地觀察到微孔洞主要成核于激光熔池邊界線的交匯處，這表明對(duì)于激光燒結(jié)工藝制備的金屬材料內(nèi)部的激光熔池邊界線的交匯處是其薄弱點(diǎn)。對(duì)于完全層裂試樣，圖20給出了層裂試樣斷口SEM顯微形貌，從圖中可以看到斷口表面分布著大量的韌窩，與單向拉伸斷口明顯不同，三向拉伸下層裂斷口的韌窩深度和尺寸明顯增大，并且在斷口上還觀察到一些小金屬球，這些小金屬球可能是由于局域溫升導(dǎo)致材料熔化而產(chǎn)生的。

圖18 不同初始速度下的層裂剖面Fig. 18 Spall profiles at different initial velocities

圖19 初始層裂的微觀金相Fig. 19 Microscopic metallographic phase of initial spallation

圖20 GP1不銹鋼層裂斷口微觀形貌Fig. 20 Micrographs of ductile fractures in GP1 stainless steel spallation

3 結(jié) 論

以激光選區(qū)熔化增材制造GP1不銹鋼為研究對(duì)象，采用高速拉伸試驗(yàn)機(jī)和一級(jí)輕氣炮，分別開(kāi)展了不同應(yīng)變速率下的單軸拉伸與平板撞擊層裂實(shí)驗(yàn)，得到了以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）增材制造GP1不銹鋼的流動(dòng)應(yīng)力具有明顯的應(yīng)變硬化效應(yīng)，初始屈服應(yīng)力隨著應(yīng)變率呈冪指數(shù)增大，基于原始及回收試樣的電子背散射衍射表征結(jié)果對(duì)比，揭示了單軸拉伸下增材制造GP1不銹鋼會(huì)發(fā)生相變，相變動(dòng)力學(xué)特性依賴于應(yīng)變率；

（2）增材制造GP1不銹鋼單軸拉伸試樣斷口顯微形貌特征明顯依賴于應(yīng)變率，特別是在高應(yīng)變率下斷口出現(xiàn)了明顯平滑區(qū)，這表明斷裂模式從延性斷裂向脆性斷裂轉(zhuǎn)變；

（3）基于自由面粒子速度時(shí)程測(cè)量，獲得了增材制造GP1不銹鋼的層裂強(qiáng)度，層裂強(qiáng)度隨著飛片撞擊速度增大而減?。?/p>

（4）增材制造GP1不銹鋼層裂試樣的橫剖面及斷口顯微照片清晰反映了微孔洞成核、增長(zhǎng)及聚集形成貫穿性主裂紋的物理過(guò)程，并揭示激光熔合線交匯處是微孔洞的主要成核源。