《Engineering Fracture Mechanics》：Critical assessment of temperature-dependent compressive deformation behaviour and damage evolution in additively manufactured AlSi10Mg
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激光粉末床熔融（LPBF-AM）AlSi10Mg合金在压缩下的变形行为与损伤机制研究，考察应变率（10??-10?1 s?1）和温度（30-250℃）影响。发现梯度微观结构（细/粗/断续Si相）导致粗区域率先损伤，损伤程度与应变率正相关、温度负相关。基于铸态合金模型修正，提出损伤演化与界面应力关联机制，揭示Si相高脆性及热稳定性差异主导的失效规律。
兰吉斯·库马尔·伊兰戈万（Ranjith Kumar Ilangovan）| 穆鲁加伊扬·阿米塔林加姆（Murugaiyan Amirthalingam）| 哈里哈兰·克里希纳斯瓦米（Hariharan Krishnaswamy）| 拉维·桑卡尔·科塔达（Ravi Sankar Kottada）
印度马德拉斯印度理工学院机械工程系，钦奈 600036
摘要
与铸造AlSi10Mg不同，激光粉末床熔融增材制造（LPBF-AM）得到的AlSi10Mg的微观结构特征是Si相分布在梯度共晶网络中，该网络包含细小、粗大和不连续的区域，这些区域嵌入在铝固溶体基体中。本研究探讨了在不同应变率（）和温度（30°C至250°C）下LPBF-AM AlSi10Mg的准静态压缩变形行为。观察到，在变形过程中，不连续区域附近的粗大网络部分受损，由于Si相的较大长宽比和脆性，其损伤尺寸与不连续区域相匹配。损伤程度随应变率和室温下的应变线性增加，但随着温度升高而减小。利用铸造AlSiMg合金的现象学模型，结合关键的微观结构观察结果，估算了研究范围内的应变率和温度下的颗粒-基体界面应力。估算的应力与实验观察到的损伤趋势非常吻合，变形过程中的应变梯度驱动了这种行为。通过将变形后的微观结构与包含力学数据的模型相关联，提出了LPBF-AM AlSi10Mg在准静态压缩下的合理损伤机制。
引言
激光粉末床熔融增材制造（LPBF-AM）铝（Al）合金在航空航天和汽车工业中获得了广泛应用，因为它们具有较高的强度重量比和设计自由度[1]、[2]、[3]。与铸造合金相比，LPBF-AM AlSi10Mg合金由于具有细小的Al-Si共晶网络和LPBF-AM工艺固有的细小晶粒尺寸而表现出更优异的强度[4]、[5]。LPBF过程中熔池内的温度分布产生了由细小和粗大共晶网络组成的梯度微观结构[6]、[7]。相邻层之间的界面发生部分重熔，形成热影响区（HAZ），其特征是不连续的共晶网络[8]、[9]，HAZ的大小与细小共晶结构相似。在变形过程中，由于其不连续性，HAZ成为最薄弱的区域[8]。此外，LPBF-AM过程中形成的微观结构受到冷却速率的强烈影响。提高基底（底板）温度会影响冷却速率，从而影响结构-性能关系[10]。LPBF AlSi10Mg的变形行为类似于典型的金属基复合材料，其中由于应变不匹配导致硅相断裂，先于α-Al基体的大塑性变形[11]、[12]。这种损伤行为在类似成分的铸造微观结构中已有研究[13]、[14]；然而，根据文献综述，LPBF-AM AlSi10Mg（与其铸造合金不同的微观结构）的这种力学行为尚未得到详细研究。
深入理解共晶区的损伤/断裂对于分析合金的整体变形行为至关重要。熔池边界的各向异性会导致方向依赖的力学行为；例如，沿建造方向的延展性由于边界更密集而显著降低[15]。研究表明，垂直于建造方向的损伤会首先损坏共晶中的硅相，随后应变传递到α-Al基体和相邻的硅相，导致空洞聚集和失效[16]。由于共晶网络的形态受基底温度的影响，它间接影响了力学行为[10]。除了熔池几何形状外，共晶相的各向异性也影响损伤行为。例如，在200°C的基底温度下加工的AlSi10Mg中，沿建造方向的损伤比垂直方向更快[11]、[12]。这归因于硅相的高长宽比。由于变形是由于亚结构（如硅相和α-Al基体）之间的复杂相互作用，因此了解它们的热稳定性和速率依赖性对于理解整体力学行为非常重要[17]、[18]。表S1（补充材料）提供了关于LPBF AlSi10Mg在建造状态下变形行为的全面和批判性文献综述。该文献综述基于表1，讨论了温度、应变率和加载方向对LPBF AlSi10Mg相关损伤机制的影响。下面总结了这篇综述以及发现的研究空白，以说明本研究的动机。
多项研究考察了不同建造方向、热处理、应变率和温度下AM AlSi10Mg的拉伸[11]、[12]和压缩[19]、[20]、[21]行为[21]、[22]、[23]。在建造状态下，屈服强度通常在250–320 MPa之间，极限拉伸强度在370–480 MPa范围内，延展性限制在7%以下[17]、[24]。建造状态和直接时效的试样主要表现出脆性断裂，这归因于较高的残余应力，而应力释放和固溶处理条件则由于微观结构的变化而表现出延展性[25]、[26]。热处理和短暂的热暴露通过减少残余应力、再结晶和沉淀过程影响力学性能；然而，即使在200–500°C范围内仅三分钟的暴露也会导致明显的软化，这强调了合金的热稳定性有限[17]、[26]、[27]。
与铸造AlSiMg合金相比，LPBF AlSi10Mg的流动应力随温度逐渐降低[19]。一项研究报道，在200°C以下，应变硬化是主导机制，超过该温度后多种强化机制被激活[22]。此外，还讨论了在拉伸载荷下铝基体中不可剪切的Si相的损伤，但分析仅限于室温[11]、[16]。在拉伸载荷下，主要在共晶Si相中观察到损伤[16]，不连续的共晶网络被认为是最薄弱的区域[8]。AM AlSi10Mg的力学行为表现出明显的应变率依赖性，这与铸造合金类似[22]、[28]、[29]。由于溶质效应引起的动态应变老化导致非线性应变率敏感性[21]。然而，相应的微观结构演变及其在一系列温度和应变率下的稳定性尚未得到充分研究[27]、[30]。因此，本研究重点关注压缩模式下的变形。
先前的研究表明，铸造AlSiMg合金中的Si颗粒在拉伸应变增加时会发生渐进性损伤[14]。已经使用分散硬化模型来估算这些颗粒内部的应力与应变的关系，并将结果与关键微观特征（如晶胞尺寸、长宽比和颗粒尺寸）相关联[31]。此外，另一项研究量化了铸造合金中的Si颗粒损伤，并随后开发了有限元模型以建立与观察到的损伤行为的直接关联[32]。虽然铸造AlSiMg合金的这些损伤机制和现象学建模已有详细记录[33]，但针对LPBF处理的AlSiMg合金的建模工作，特别是结合微观特征的工作，在文献中很少报道。为了准确预测LPBF AlSiMg合金的性能，特别是考虑到它们在发动机壳体组件等关键部件中的应用[34]，全面理解与微观特征相关的损伤演变行为至关重要。
鉴于上述批判性综述以及文献中的空白，本工作的目标是通过评估LPBF处理的AlSi10Mg的损伤机制和现象学建模来弥补现有研究的局限性，同时借鉴已建立的铸造AlSiMg合金模型[14]、[31]，重点关注其独特的微观特征。在一系列温度（30–250°C）和准静态应变率（下进行了单轴压缩实验。从温度和应变率的角度分析了共晶Si相的损伤和微观结构演变。
实验材料和方法
本研究使用了m4p Materials Solutions GmbH（奥地利）提供的商用AM级AlSi10Mg粉末，平均颗粒尺寸为29±0.2 μm。粉末和打印样品的化学成分通过Avio 550 Max光谱仪（PerkinElmer，美国）进行电感耦合等离子体-光发射光谱分析。溶解气体含量由Bruker的G8 Galileo OHN分析仪测量。这些化学分析结果在
结果
图1展示了LPBF AlSi10Mg的微观结构特征，突出了共晶网络和分散在铝固溶体基体（α-Al）中的硅颗粒的不同分布。图1(a)显示了单个熔池的光学显微照片，其中可见局部温度梯度变化对微观结构特征的影响。此外，还展示了更高倍数的二次电子扫描电子显微镜（SE-SEM）微观图像
讨论
根据第3节中的详细观察和分析，必须解决以下问题：a) Si颗粒在室温和高温下变形过程中所承受的应力，这是导致损伤的原因；b) 基于与变形微观结构的相关性的合理损伤机制。
总结与结论
基于在不同准静态应变率（
和更高温度（30–250°C）下的压缩变形行为分析，以及与变形微观结构的关联，得出以下结论：
1.LPBF AlSi10Mg的微观结构具有Al基体内的梯度共晶网络，包含细小（FMP）、粗大（CMP）和不同尺寸的Si相区域。在变形过程中，粗大区域
CRediT作者贡献声明
兰吉斯·库马尔·伊兰戈万（Ranjith Kumar Ilangovan）：撰写——原始草稿、方法论、研究、数据分析、概念化。穆鲁加伊扬·阿米塔林加姆（Murugaiyan Amirthalingam）：撰写——审阅与编辑、资金获取。哈里哈兰·克里希纳斯瓦米（Hariharan Krishnaswamy）：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、监督、资金获取、概念化。拉维·桑卡尔·科塔达（Ravi Sankar Kottada）：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目管理、研究、资金获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢印度理工学院（IIT Madras）的卓越研究所（IoE）为增材制造中的未来移动性建立了研究中心。作者感谢印度钦奈Super Auto Forge Private Ltd.的副总经理兼研发负责人Karthik Narayanan S先生和副经理Rajeev博士对项目的支持。作者还要感谢新产品开发团队负责人Revanth Metla先生和首席应用工程师Stevan Lester Baptist先生的支持。
