SLM冷作工具鋼的開裂機理:殘余應力,、微觀結構和局部元素濃度的作用（2）

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導讀本文報道了頂刊《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:殘余應力,、微觀結構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,。

為了能夠將裂紋表面上的相演變與無裂紋樣品區(qū)域中的微結構成分進行比較，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%的目標蒸發(fā)速率,。由于Ag是一種與長飛行時間相關的重元素，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��3D重建尤其取決于場因子(kf),、圖像壓縮因子(ICF)、結合元件的蒸發(fā)場和尖端幾何形狀,。由于沒有觀察到電極結構或進行了尖端的相關TEM研究(可用于校準重建),因此分析了場因子范圍(2
由于APT僅揭示了與開裂相關的微結構成分的化學組成,，因此進行了TEM研究，以確定其晶體結構,。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.結論
3.1.殘余應變/應力和相關的金相縱向/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)樣本中心的應變曲線,；(c)蝕刻的LOM縱向/橫向截面(d)樣品邊緣的應變分布圖,；(e，g)分別在樣品中心和邊緣的應變分布圖(樣品50 );(f)相應的暗場LOM縱向/橫向截面,，帶有微裂紋的詳細插圖,。(a)、(c)和(f)中的草圖標記了樣本調查方向(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變松弛相關聯(lián)，藍色箭頭標記基板過渡區(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�,；�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),，應變評估僅限于這兩種主要微觀結構成分。

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‰的高壓縮應變到AM樣品其余部分的拉伸和壓縮范圍內(nèi)的低應變值的變化,。對于奧氏體(用綠色表示)，頂層也表現(xiàn)出壓縮應變,，然而,，與馬氏體的測量值相比,，壓縮應變顯著降低。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變,。無法確定基板區(qū)域中奧氏體相的應變，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)了拉伸應變,。然而,，兩個階段的最大應變水平都低于在中心掃描中確定的其對應部分的最大應變水平。圖4 (c,，d)中的灰色箭頭標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)的急劇應變降低,。該結果與LOM圖像相關，因為在同一區(qū)域沒有觀察到裂紋,。其余的AM樣品經(jīng)受拉伸應變,。奧氏體應變曲線顯示出與馬氏體相同的特征，但整個樣品的應變水平略低,。在圖4 (c)中,，示出了相對于圖4 (a)旋轉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，并導致測量的馬氏體應變松弛至零,。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變下降與特定水平裂縫的位置相關聯(lián),�,？梢钥闯觯�馬氏體和奧氏體相內(nèi)的拉伸應變顯著松弛,，以降低每個裂紋位置處的拉伸應變水平,，導致鋸齒形應變分布，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))確定應變分布,�,？梢酝瞥鲆韵驴杀容^的結果。首先,，最頂層表現(xiàn)出馬氏體中比奧氏體中更高的拉伸應變,，并且樣品中心的絕對應變水平比其邊緣更高。第二,，可比較的馬氏體應變分布特征,，即，在這種情況下,，從高拉伸應變到壓縮應變的變化,，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變的存在,。第三，在邊緣掃描中,，直接在最頂層之下的壓縮應變狀態(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)和應變松弛之間沒有關系，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�,。當掃描方向在每層之后旋轉時,，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)和微結構成分之間的可能相關性,，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構網(wǎng)絡,�,？梢郧宄�地推斷出，除了由黃色箭頭標記的區(qū)域之外,，裂紋根據(jù)該網(wǎng)絡分支,。明亮網(wǎng)絡結構的寬度低于100納米。似乎裂紋擴展的方向變化發(fā)生在這些樹枝狀結構的交叉點上(示例性地用綠色箭頭標記),。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。除了由黃色箭頭標記的區(qū)域之外,，可以看到明亮描繪的網(wǎng)絡結構和裂紋擴展之間的明顯相關性,。綠色箭頭表示網(wǎng)絡結構中的交叉點

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,，枝狀超結構清晰可見。圖6 (b)顯示了這些結構的詳細圖像,，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構和裂紋擴展之間的明顯相關性,。裂紋擴展顯然主要沿斷裂表面結構進行,，這些表面結構既不能稱為解理，也不能稱為凹陷斷裂區(qū),。解理斷裂區(qū)域用紅色標出,，凹陷區(qū)域用藍色箭頭標出。假設這些裂紋特征中的一個或兩個出現(xiàn)在圖5中的黃色標記區(qū)域,。然而,，表面的大部分由上述結構組成。為了分析解理斷裂區(qū)化學成分的可能差異,，進行了EDX繪圖,。在圖6 (b)中，研究區(qū)域由黃色虛線方框標記,。

圖6：(a)低倍和(b)高倍下裂紋表面形態(tài)的SEM斷口圖,。可以清楚地看到樹枝狀的上層結構,。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顯示了上述結構,，這些結構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致的多孔區(qū)域的屏蔽效應。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�,？梢钥闯�,，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)的化學成分。當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)

為了比較微觀結構成分的局部化學成分和尺寸,，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構,，從基板界面處的分層區(qū)制備TEM薄片,，參見圖9 (a)。合理的假設是，由紅圈標記的六個衍射斑點可以歸屬于上述六方M2C碳化物結構,。

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