SLM冷作工具鋼的開裂機理:殘余應(yīng)力、微觀結(jié)構(gòu)和局部元素濃度的作用（2）

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀本文報道了頂刊《Acta Materialia》所發(fā)表的研究成果：激光粉末床選區(qū)熔化冷作工具鋼的開裂機理:殘余應(yīng)力、微觀結(jié)構(gòu)和局部元素濃度的作用。本文為第二部分。

△成果的Graphical abstract

2.3.用掃描電鏡表征裂紋表面

圖2 (a)顯示了樣品500(高度15 mm)的宏觀形貌，在該樣品上進行了所有以下裂紋表面表征實驗。使用Zeiss Discovery進行宏觀裂紋評估。特別注意基板和增材制造材料之間的界面，在圖2 (a)中用白色箭頭標(biāo)出。因此，在OPS處理后，用Tescan Clara SEM在8 mm的工作距離下，以背散射電子(BSE)模式研究了縱向/橫向截面拋光(x-z取向),如上面LOM研究所述。不幸的是，在LPBF工藝之后的完工樣品中的裂紋顯示出被氧化的裂紋表面區(qū)域。為了說明這些氧化過程并能夠評估實際的裂紋表面，在樣品的上部區(qū)域強制斷裂，在制造過程后該區(qū)域不存在裂紋。在強制裂紋張開后，立即在SEM (Zeiss GeminiSEM 450)中以二次電子(SE)模式在4 mm的工作距離和3 kV的加速電壓下分析斷裂表面。如圖2 (b)所示，在感興趣的區(qū)域被選擇性地切掉后，在室溫下使用鉗子進行裂紋張開程序。在負(fù)Z方向上施加斷裂樣品所需的力，以防止斷裂表面的摩擦。此外，使用無窗檢測器在8mm的工作距離進行定性EDX映射。該檢測器用于在低能量性能下實現(xiàn)高空間分辨率(即在2nA的樣品電流下為3kV)。已經(jīng)選擇了3 毫秒/幀的測試時間，并且用AZtecLive軟件進行數(shù)據(jù)處理。

圖2：(a)樣品500的宏觀概述形貌；(b)樣品500上部樣品區(qū)域無裂紋區(qū)域的強制裂紋張開圖解。

2.4.原子探針斷層成像和透射電子顯微鏡

進行APT研究以表征裂紋表面存在的相的化學(xué)成分。為了確保所研究的APT尖端直接來自裂紋表面，它有銀涂層。該層在實驗室規(guī)模的非平衡DC磁控濺射系統(tǒng)中由Ag靶(尺寸:50.8×6 mm，純度99.99%)沉積。選擇Ag涂層是因為Ag+的蒸發(fā)場比Fe++和Pt++低，這是進行APT測量所必需的，并且沒有峰重疊。除了銀涂層之外，與從基板到增材制造材料的過渡區(qū)直接相鄰的感興趣的區(qū)域(裂紋從該過渡區(qū)開始擴展)被鉑涂層保護，參見圖3(a)。使用來自賽默飛世爾科技公司的雙光束SEM-FIB(聚焦離子束)Versa 3D進行以下包括APT尖端制備的取出程序。圖3 (b)描繪了在30 kV下用鎵離子粗磨后來自PT涂覆區(qū)域的示例性APT尖端。在圖3 (c)中可以看到最終研磨步驟后的尖端，該步驟旨在去除整個鉑涂層，但保留少量殘余的銀。為了減少鎵污染，該制造步驟在5 kV下進行。

為了能夠?qū)⒘鸭y表面上的相演變與無裂紋樣品區(qū)域中的微結(jié)構(gòu)成分進行比較，使用兩步法在高氯酸中電解制備了更多的尖端，這些尖端來自取自樣品1000的回火層的矩形棒(尺寸約為0.3×0.3×10 mm3)。

所有的APT測量都是在60 K的溫度下在局部電極原子探針(Cameca LEAP 3000X HR)中以激光模式在0.6nJ的激光能量下進行的。對于電解制備的尖端，選擇250 kHz的脈沖頻率和1.0%的目標(biāo)蒸發(fā)速率。由于Ag是一種與長飛行時間相關(guān)的重元素，所以選擇160 kHz的降低的脈沖頻率和0.5%的蒸發(fā)率用于使用FIB制備從裂紋表面取得的尖端。用Imago可視化和分析軟件(IVAS版本3.6.14)進行數(shù)據(jù)處理。

APT數(shù)據(jù)中的維度受到重建參數(shù)的強烈影響�；�于電壓的3D重建尤其取決于場因子(kf)、圖像壓縮因子(ICF)、結(jié)合元件的蒸發(fā)場和尖端幾何形狀。由于沒有觀察到電極結(jié)構(gòu)或進行了尖端的相關(guān)TEM研究(可用于校準(zhǔn)重建),因此分析了場因子范圍(2
由于APT僅揭示了與開裂相關(guān)的微結(jié)構(gòu)成分的化學(xué)組成，因此進行了TEM研究，以確定其晶體結(jié)構(gòu)。因此，使用與APT尖端制備相同的雙光束SEM-FIB制備TEM薄片。此外，該薄片取自樣品500的基板界面處的分層區(qū)(見圖2 (a)中的箭頭)，在這種情況下，其僅用Pt層保護。TEM實驗是在裝有200千伏場發(fā)射槍的JEM-2200FS透射電子顯微鏡上進行的。

圖3：(a)具有保護性Pt層的鍍銀裂紋表面，用于隨后的APT尖端制備；示例性APT尖端包括在(b)粗磨和(c)最終離子銑削之后從過渡區(qū)獲得的裂紋表面

3.結(jié)論
3.1.殘余應(yīng)變/應(yīng)力和相關(guān)的金相縱向/橫向截面分析

圖4：(a)未蝕刻條件下的LOM縱向/橫向截面(樣品100 );(b)樣本中心的應(yīng)變曲線；(c)蝕刻的LOM縱向/橫向截面(d)樣品邊緣的應(yīng)變分布圖；(e，g)分別在樣品中心和邊緣的應(yīng)變分布圖(樣品50 );(f)相應(yīng)的暗場LOM縱向/橫向截面，帶有微裂紋的詳細插圖。(a)、(c)和(f)中的草圖標(biāo)記了樣本調(diào)查方向(以灰色突出顯示)。(c，d)和(f，g)中的灰色箭頭指示頂層中的不同蝕刻侵蝕，黑色虛線箭頭將裂紋位置與應(yīng)變松弛相關(guān)聯(lián)，藍色箭頭標(biāo)記基板過渡區(qū)處的分層。

使用同步加速器輻射來分別評估樣品中心和邊緣處的殘余應(yīng)變分布，這兩個樣品具有1.4mm(樣品50)和2.8mm(樣品100)的不同高度。基于HEXRD測量的相分析表明，馬氏體和奧氏體的含量超過90%。因此，也由于碳化物缺乏彈性常數(shù)，應(yīng)變評估僅限于這兩種主要微觀結(jié)構(gòu)成分。

在圖4 (a)、(c)和(f)中，灰色突出顯示的平面表示樣品表面，從該表面拍攝特定的LOM顯微照片。圖4 (a)描繪了在縱向/橫向截面LOM顯微照片上幾乎均勻分布的孔，除了右側(cè)樣品邊緣區(qū)域，在該區(qū)域可以觀察到孔積聚。這種孔隙積累可能是由于掃描線末端周圍的局部小孔塌陷導(dǎo)致球形孔隙。如圖4 (a)和(c)中右下角的藍色箭頭所示，除了樣品左邊緣處的嚴(yán)重開裂之外，在AM材料和基板之間的右過渡區(qū)中可以看到在整個掃描區(qū)域上延伸的顯著分層。圖4 (b)和(d)顯示了所得的分布圖，其中測量的應(yīng)變分別根據(jù)樣品100中心和其邊緣到頂層的距離來描繪。前者顯示了從頂層馬氏體(用藍色描繪)的約1.9‰的高壓縮應(yīng)變到AM樣品其余部分的拉伸和壓縮范圍內(nèi)的低應(yīng)變值的變化。對于奧氏體(用綠色表示)，頂層也表現(xiàn)出壓縮應(yīng)變，然而，與馬氏體的測量值相比，壓縮應(yīng)變顯著降低。此外，可以在整個縱向/橫向截面上更大深度處的下層回火層中的奧氏體中確定拉伸應(yīng)變。無法確定基板區(qū)域中奧氏體相的應(yīng)變，因為基板的軟退火材料不含任何奧氏體。

與圖4 (b)中所示的中心掃描相比，邊緣掃描(圖4 (d))的應(yīng)變分布呈現(xiàn)出更明顯的(倒置的)C形特征。在馬氏體和奧氏體的最頂層都發(fā)現(xiàn)了拉伸應(yīng)變。然而，兩個階段的最大應(yīng)變水平都低于在中心掃描中確定的其對應(yīng)部分的最大應(yīng)變水平。圖4 (c，d)中的灰色箭頭標(biāo)記了頂層與較低樣本區(qū)域中的回火層相比在蝕刻侵蝕方面的差異。此外，圖4 (d)記錄了對于直接在最頂層之下的兩個相，從拉伸到壓縮狀態(tài)的急劇應(yīng)變降低。該結(jié)果與LOM圖像相關(guān)，因為在同一區(qū)域沒有觀察到裂紋。其余的AM樣品經(jīng)受拉伸應(yīng)變。奧氏體應(yīng)變曲線顯示出與馬氏體相同的特征，但整個樣品的應(yīng)變水平略低。在圖4 (c)中，示出了相對于圖4 (a)旋轉(zhuǎn)90°的樣品100的縱向/橫向截面。圖4 (a，c)中的藍色箭頭表示脫層，其在整個樣品厚度上延伸，并導(dǎo)致測量的馬氏體應(yīng)變松弛至零。此外，從樣品邊緣開始出現(xiàn)裂紋是明顯的。水平虛線將觀察到的應(yīng)變下降與特定水平裂縫的位置相關(guān)聯(lián)。可以看出，馬氏體和奧氏體相內(nèi)的拉伸應(yīng)變顯著松弛，以降低每個裂紋位置處的拉伸應(yīng)變水平，導(dǎo)致鋸齒形應(yīng)變分布，這在樣品邊緣處測量(圖4 (d))。對于樣品50，像樣品100一樣，在相同的橫向位置(即，中心(圖4 (e))和邊緣(圖4 (g))確定應(yīng)變分布。可以推出以下可比較的結(jié)果。首先，最頂層表現(xiàn)出馬氏體中比奧氏體中更高的拉伸應(yīng)變，并且樣品中心的絕對應(yīng)變水平比其邊緣更高。第二，可比較的馬氏體應(yīng)變分布特征，即，在這種情況下，從高拉伸應(yīng)變到壓縮應(yīng)變的變化，可以在邊緣掃描中看到，同時，在中心掃描中的評估揭示了在奧氏體中拉伸殘余應(yīng)變的存在。第三，在邊緣掃描中，直接在最頂層之下的壓縮應(yīng)變狀態(tài)也是明顯的，隨著樣品邊緣處到最頂層的距離增加，該壓縮應(yīng)變狀態(tài)返回到拉伸狀態(tài)，但是在與基板的界面處再次下降到零。后者可以與圖4 (f)中的縱向/橫向截面相關(guān)聯(lián)，圖4(f)描繪了在與基板的界面處的連續(xù)分層。這種分層在圖4 (f，g)中用藍色箭頭表示。然而，可以觀察到一個明顯的差異:裂紋出現(xiàn)和應(yīng)變松弛之間沒有關(guān)系，因為樣品50不包含像樣品100那樣的明顯裂紋。仔細觀察只能發(fā)現(xiàn)從內(nèi)部孔隙產(chǎn)生的微裂紋(見圖4(f)插圖中的紅色箭頭)。此外，圖4 (f)顯示了由脈沖波發(fā)射引起的可變?nèi)鄢厣疃取．?dāng)掃描方向在每層之后旋轉(zhuǎn)時，熔池對前一層和基板的滲透會局部變化。這些小孔通常位于鑰匙孔的根部。

3.2.用掃描電鏡研究直接裂紋接近度和裂紋表面形貌

為了評估樣品500中裂紋形態(tài)和微結(jié)構(gòu)成分之間的可能相關(guān)性，在BSE模式下，在SEM中檢查了基板界面分層的縱向/橫向截面拋光，如圖2 (a)中的白色箭頭所示。圖5顯示了以之字形方式貫穿樣品的裂紋擴展。此外，可以看到一個明亮的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)�？梢郧宄�地推斷出，除了由黃色箭頭標(biāo)記的區(qū)域之外，裂紋根據(jù)該網(wǎng)絡(luò)分支。明亮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的寬度低于100納米。似乎裂紋擴展的方向變化發(fā)生在這些樹枝狀結(jié)構(gòu)的交叉點上(示例性地用綠色箭頭標(biāo)記)。這些幾乎球形的成分在這些交叉點的尺寸在150 nm的范圍內(nèi)。

圖5：裂紋擴展路徑的掃描電鏡照片。除了由黃色箭頭標(biāo)記的區(qū)域之外，可以看到明亮描繪的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和裂紋擴展之間的明顯相關(guān)性。綠色箭頭表示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的交叉點

在剩余縱向/橫向截面的強制斷裂面上進行了裂紋表面形態(tài)的直接研究(圖2(b))。圖6描繪了在SE模式下在3 kV加速電壓下拍攝的SEM斷口圖。在圖6 (a)的斷口圖中，枝狀超結(jié)構(gòu)清晰可見。圖6 (b)顯示了這些結(jié)構(gòu)的詳細圖像，揭示了裂紋表面上非常精細的特征。如在圖5中已經(jīng)顯而易見的，在這里也可以觀察到枝狀超結(jié)構(gòu)和裂紋擴展之間的明顯相關(guān)性。裂紋擴展顯然主要沿斷裂表面結(jié)構(gòu)進行，這些表面結(jié)構(gòu)既不能稱為解理，也不能稱為凹陷斷裂區(qū)。解理斷裂區(qū)域用紅色標(biāo)出，凹陷區(qū)域用藍色箭頭標(biāo)出。假設(shè)這些裂紋特征中的一個或兩個出現(xiàn)在圖5中的黃色標(biāo)記區(qū)域。然而，表面的大部分由上述結(jié)構(gòu)組成。為了分析解理斷裂區(qū)化學(xué)成分的可能差異，進行了EDX繪圖。在圖6 (b)中，研究區(qū)域由黃色虛線方框標(biāo)記。

圖6：(a)低倍和(b)高倍下裂紋表面形態(tài)的SEM斷口圖�？梢郧宄�地看到樹枝狀的上層結(jié)構(gòu)。紅色箭頭表示解理斷裂區(qū)域，藍色箭頭表示凹陷斷裂區(qū)域。黃色虛線區(qū)域標(biāo)記了圖7中描繪的EDX映射的區(qū)域

3.3.用EDX和APT分析裂紋表面化學(xué)成分

圖7描繪了Fe、C和碳化物形成元素V、Mo和w的EDX濃度圖。圖7 (a)顯示了可分為三個區(qū)域的繪制區(qū)域的斷口圖。區(qū)域A描繪了裂紋表面上的解理斷裂區(qū)域。在區(qū)域c的裂紋表面上可以假定有凹痕。相反，區(qū)域B顯示了上述結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)既不能被明確指定為解理，也不能被指定為凹痕斷裂區(qū)域。濃度圖的某些區(qū)域(即，右上角和左下角)不能被檢測器接近，這是因為由于斷裂表面的粗糙度而導(dǎo)致的多孔區(qū)域的屏蔽效應(yīng)。從圖7 (b-f)中的元素圖可以定性地推斷出，與區(qū)域A和C相比，區(qū)域B顯示出C、V、Mo和w的富集。此外，在區(qū)域B中Fe的顯著貧化是明顯的。然而，由于在EDX光譜中沒有測定到可測量的信號，所以不能評估可能包含在熱裂化或凝固裂化中的典型元素(即S和P)。

圖7：裂紋表面的EDX濃度圖。(a)中的黃色虛線表示三個區(qū)域。與A和C相反，區(qū)域B顯示了C、V、Mo和w的顯著富集。

除了EDX作圖，APT還用于驗證獲得的定性結(jié)果。APT能夠確定在原子水平上直接參與裂紋形成的相的化學(xué)成分。圖8 (a)顯示了直接取自樣品500中Ag涂覆的裂紋表面的示例性APT尖端的3D重建，如2.3節(jié)所述。除鐵和銀離子外，還顯示了含15 at% C的等濃度面。可以看出，該等值面直接位于Ag涂層下方。因此，使用圓柱形感興趣區(qū)域(ROI，15 nm)來分析代表裂紋表面的過渡區(qū)的化學(xué)成分。當(dāng)圓柱體幾乎垂直于等值面時，與Ag涂層的界面表現(xiàn)出相當(dāng)均勻的過渡。在圖8 (b)中示出了沿著藍色圓柱體的z方向的相應(yīng)的一維濃度分布(增量0.2 nm)。富碳區(qū)的寬度約為15納米。此外，在這一地區(qū)還發(fā)現(xiàn)了大量的鉬、鉻和釩。

圖8：示例性APT尖端和沿藍色圓柱體的z方向的相應(yīng)濃度分布的3D重建:(a，b)裂紋表面的APT分析(樣品500)；(c，d)回火層中無裂紋區(qū)域的APT分析(樣品1000)

為了比較微觀結(jié)構(gòu)成分的局部化學(xué)成分和尺寸，電解制備的APT尖端取自回火層的無裂紋區(qū)域(樣品1000)。圖8 (c)示例性地示出了3D重建。富含碳的成分也很明顯，從它們的成分和高的碳含量可以得出結(jié)論，它們代表碳化物。在圖8 (d)中，顯示了沿著藍色圓柱形ROI(15nm)的相應(yīng)濃度分布(增量0.4nm)。很明顯，在重建中，碳化物，這里被15 at% C等值面限制，大于樣品體積，因此沒有完全顯示。在等值面內(nèi)，與基質(zhì)成分相比，鐵和鈷明顯減少。必須注意，對于所有參與元素，到周圍矩陣的過渡相當(dāng)陡峭。碳化物中的平均元素組成是從圖8 (d)中70和110 nm之間的z范圍獲得的，并且是(以原子百分比計)。

3.4.顯微組織成分的透射電鏡研究

圖9：(a)取自基板界面(樣品500)的TEM薄片概述，用白色虛線標(biāo)記。(b)描繪用于TEM評價的相的HEXRD衍射圖。(c)快速傅立葉變換的TEM顯微照片，描繪了緊鄰裂紋的馬氏體和M2C碳化物衍射斑點。

為了確定開裂中涉及的相的晶體結(jié)構(gòu)，從基板界面處的分層區(qū)制備TEM薄片，參見圖9 (a)。合理的假設(shè)是，由紅圈標(biāo)記的六個衍射斑點可以歸屬于上述六方M2C碳化物結(jié)構(gòu)。

文獻來源：Cracking mechanism in a laser powder bed fused cold-work tool steel: The role of residual stresses, microstructure and local elemental concentrations,Acta Materialia,Volume 225, 15 February 2022, 117570,https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117570