SLM冷作工具钢的开裂机理:残余应力、微观结构和局部元素浓度的作用（2）

来源：江苏激光联盟

导读本文报道了顶刊《Acta Materialia》所发表的研究成果：激光粉末床选区熔化冷作工具钢的开裂机理:残余应力、微观结构和局部元素浓度的作用。本文为第二部分。

△成果的Graphical abstract

2.3.用扫描电镜表征裂纹表面

图2 (a)显示了样品500(高度15 mm)的宏观形貌，在该样品上进行了所有以下裂纹表面表征实验。使用Zeiss Discovery进行宏观裂纹评估。特别注意基板和增材制造材料之间的界面，在图2 (a)中用白色箭头标出。因此，在OPS处理后，用Tescan Clara SEM在8 mm的工作距离下，以背散射电子(BSE)模式研究了纵向/横向截面抛光(x-z取向),如上面LOM研究所述。不幸的是，在LPBF工艺之后的完工样品中的裂纹显示出被氧化的裂纹表面区域。为了说明这些氧化过程并能够评估实际的裂纹表面，在样品的上部区域强制断裂，在制造过程后该区域不存在裂纹。在强制裂纹张开后，立即在SEM (Zeiss GeminiSEM 450)中以二次电子(SE)模式在4 mm的工作距离和3 kV的加速电压下分析断裂表面。如图2 (b)所示，在感兴趣的区域被选择性地切掉后，在室温下使用钳子进行裂纹张开程序。在负Z方向上施加断裂样品所需的力，以防止断裂表面的摩擦。此外，使用无窗检测器在8mm的工作距离进行定性EDX映射。该检测器用于在低能量性能下实现高空间分辨率(即在2nA的样品电流下为3kV)。已经选择了3 毫秒/帧的测试时间，并且用AZtecLive软件进行数据处理。

图2：(a)样品500的宏观概述形貌；(b)样品500上部样品区域无裂纹区域的强制裂纹张开图解。

2.4.原子探针断层成像和透射电子显微镜

进行APT研究以表征裂纹表面存在的相的化学成分。为了确保所研究的APT尖端直接来自裂纹表面，它有银涂层。该层在实验室规模的非平衡DC磁控溅射系统中由Ag靶(尺寸:50.8×6 mm，纯度99.99%)沉积。选择Ag涂层是因为Ag+的蒸发场比Fe++和Pt++低，这是进行APT测量所必需的，并且没有峰重叠。除了银涂层之外，与从基板到增材制造材料的过渡区直接相邻的感兴趣的区域(裂纹从该过渡区开始扩展)被铂涂层保护，参见图3(a)。使用来自赛默飞世尔科技公司的双光束SEM-FIB(聚焦离子束)Versa 3D进行以下包括APT尖端制备的取出程序。图3 (b)描绘了在30 kV下用镓离子粗磨后来自PT涂覆区域的示例性APT尖端。在图3 (c)中可以看到最终研磨步骤后的尖端，该步骤旨在去除整个铂涂层，但保留少量残余的银。为了减少镓污染，该制造步骤在5 kV下进行。

为了能够将裂纹表面上的相演变与无裂纹样品区域中的微结构成分进行比较，使用两步法在高氯酸中电解制备了更多的尖端，这些尖端来自取自样品1000的回火层的矩形棒(尺寸约为0.3×0.3×10 mm3)。

所有的APT测量都是在60 K的温度下在局部电极原子探针(Cameca LEAP 3000X HR)中以激光模式在0.6nJ的激光能量下进行的。对于电解制备的尖端，选择250 kHz的脉冲频率和1.0%的目标蒸发速率。由于Ag是一种与长飞行时间相关的重元素，所以选择160 kHz的降低的脉冲频率和0.5%的蒸发率用于使用FIB制备从裂纹表面取得的尖端。用Imago可视化和分析软件(IVAS版本3.6.14)进行数据处理。

APT数据中的维度受到重建参数的强烈影响。基于电压的3D重建尤其取决于场因子(kf)、图像压缩因子(ICF)、结合元件的蒸发场和尖端几何形状。由于没有观察到电极结构或进行了尖端的相关TEM研究(可用于校准重建),因此分析了场因子范围(2
由于APT仅揭示了与开裂相关的微结构成分的化学组成，因此进行了TEM研究，以确定其晶体结构。因此，使用与APT尖端制备相同的双光束SEM-FIB制备TEM薄片。此外，该薄片取自样品500的基板界面处的分层区(见图2 (a)中的箭头)，在这种情况下，其仅用Pt层保护。TEM实验是在装有200千伏场发射枪的JEM-2200FS透射电子显微镜上进行的。

图3：(a)具有保护性Pt层的镀银裂纹表面，用于随后的APT尖端制备；示例性APT尖端包括在(b)粗磨和(c)最终离子铣削之后从过渡区获得的裂纹表面

3.结论
3.1.残余应变/应力和相关的金相纵向/横向截面分析

图4：(a)未蚀刻条件下的LOM纵向/横向截面(样品100 );(b)样本中心的应变曲线；(c)蚀刻的LOM纵向/横向截面(d)样品边缘的应变分布图；(e，g)分别在样品中心和边缘的应变分布图(样品50 );(f)相应的暗场LOM纵向/横向截面，带有微裂纹的详细插图。(a)、(c)和(f)中的草图标记了样本调查方向(以灰色突出显示)。(c，d)和(f，g)中的灰色箭头指示顶层中的不同蚀刻侵蚀，黑色虚线箭头将裂纹位置与应变松弛相关联，蓝色箭头标记基板过渡区处的分层。

使用同步加速器辐射来分别评估样品中心和边缘处的残余应变分布，这两个样品具有1.4mm(样品50)和2.8mm(样品100)的不同高度。基于HEXRD测量的相分析表明，马氏体和奥氏体的含量超过90%。因此，也由于碳化物缺乏弹性常数，应变评估仅限于这两种主要微观结构成分。

在图4 (a)、(c)和(f)中，灰色突出显示的平面表示样品表面，从该表面拍摄特定的LOM显微照片。图4 (a)描绘了在纵向/横向截面LOM显微照片上几乎均匀分布的孔，除了右侧样品边缘区域，在该区域可以观察到孔积聚。这种孔隙积累可能是由于扫描线末端周围的局部小孔塌陷导致球形孔隙。如图4 (a)和(c)中右下角的蓝色箭头所示，除了样品左边缘处的严重开裂之外，在AM材料和基板之间的右过渡区中可以看到在整个扫描区域上延伸的显著分层。图4 (b)和(d)显示了所得的分布图，其中测量的应变分别根据样品100中心和其边缘到顶层的距离来描绘。前者显示了从顶层马氏体(用蓝色描绘)的约1.9‰的高压缩应变到AM样品其余部分的拉伸和压缩范围内的低应变值的变化。对于奥氏体(用绿色表示)，顶层也表现出压缩应变，然而，与马氏体的测量值相比，压缩应变显著降低。此外，可以在整个纵向/横向截面上更大深度处的下层回火层中的奥氏体中确定拉伸应变。无法确定基板区域中奥氏体相的应变，因为基板的软退火材料不含任何奥氏体。

与图4 (b)中所示的中心扫描相比，边缘扫描(图4 (d))的应变分布呈现出更明显的(倒置的)C形特征。在马氏体和奥氏体的最顶层都发现了拉伸应变。然而，两个阶段的最大应变水平都低于在中心扫描中确定的其对应部分的最大应变水平。图4 (c，d)中的灰色箭头标记了顶层与较低样本区域中的回火层相比在蚀刻侵蚀方面的差异。此外，图4 (d)记录了对于直接在最顶层之下的两个相，从拉伸到压缩状态的急剧应变降低。该结果与LOM图像相关，因为在同一区域没有观察到裂纹。其余的AM样品经受拉伸应变。奥氏体应变曲线显示出与马氏体相同的特征，但整个样品的应变水平略低。在图4 (c)中，示出了相对于图4 (a)旋转90°的样品100的纵向/横向截面。图4 (a，c)中的蓝色箭头表示脱层，其在整个样品厚度上延伸，并导致测量的马氏体应变松弛至零。此外，从样品边缘开始出现裂纹是明显的。水平虚线将观察到的应变下降与特定水平裂缝的位置相关联。可以看出，马氏体和奥氏体相内的拉伸应变显著松弛，以降低每个裂纹位置处的拉伸应变水平，导致锯齿形应变分布，这在样品边缘处测量(图4 (d))。对于样品50，像样品100一样，在相同的横向位置(即，中心(图4 (e))和边缘(图4 (g))确定应变分布。可以推出以下可比较的结果。首先，最顶层表现出马氏体中比奥氏体中更高的拉伸应变，并且样品中心的绝对应变水平比其边缘更高。第二，可比较的马氏体应变分布特征，即，在这种情况下，从高拉伸应变到压缩应变的变化，可以在边缘扫描中看到，同时，在中心扫描中的评估揭示了在奥氏体中拉伸残余应变的存在。第三，在边缘扫描中，直接在最顶层之下的压缩应变状态也是明显的，随着样品边缘处到最顶层的距离增加，该压缩应变状态返回到拉伸状态，但是在与基板的界面处再次下降到零。后者可以与图4 (f)中的纵向/横向截面相关联，图4(f)描绘了在与基板的界面处的连续分层。这种分层在图4 (f，g)中用蓝色箭头表示。然而，可以观察到一个明显的差异:裂纹出现和应变松弛之间没有关系，因为样品50不包含像样品100那样的明显裂纹。仔细观察只能发现从内部孔隙产生的微裂纹(见图4(f)插图中的红色箭头)。此外，图4 (f)显示了由脉冲波发射引起的可变熔池深度。当扫描方向在每层之后旋转时，熔池对前一层和基板的渗透会局部变化。这些小孔通常位于钥匙孔的根部。

3.2.用扫描电镜研究直接裂纹接近度和裂纹表面形貌

为了评估样品500中裂纹形态和微结构成分之间的可能相关性，在BSE模式下，在SEM中检查了基板界面分层的纵向/横向截面抛光，如图2 (a)中的白色箭头所示。图5显示了以之字形方式贯穿样品的裂纹扩展。此外，可以看到一个明亮的结构网络。可以清楚地推断出，除了由黄色箭头标记的区域之外，裂纹根据该网络分支。明亮网络结构的宽度低于100纳米。似乎裂纹扩展的方向变化发生在这些树枝状结构的交叉点上(示例性地用绿色箭头标记)。这些几乎球形的成分在这些交叉点的尺寸在150 nm的范围内。

图5：裂纹扩展路径的扫描电镜照片。除了由黄色箭头标记的区域之外，可以看到明亮描绘的网络结构和裂纹扩展之间的明显相关性。绿色箭头表示网络结构中的交叉点

在剩余纵向/横向截面的强制断裂面上进行了裂纹表面形态的直接研究(图2(b))。图6描绘了在SE模式下在3 kV加速电压下拍摄的SEM断口图。在图6 (a)的断口图中，枝状超结构清晰可见。图6 (b)显示了这些结构的详细图像，揭示了裂纹表面上非常精细的特征。如在图5中已经显而易见的，在这里也可以观察到枝状超结构和裂纹扩展之间的明显相关性。裂纹扩展显然主要沿断裂表面结构进行，这些表面结构既不能称为解理，也不能称为凹陷断裂区。解理断裂区域用红色标出，凹陷区域用蓝色箭头标出。假设这些裂纹特征中的一个或两个出现在图5中的黄色标记区域。然而，表面的大部分由上述结构组成。为了分析解理断裂区化学成分的可能差异，进行了EDX绘图。在图6 (b)中，研究区域由黄色虚线方框标记。

图6：(a)低倍和(b)高倍下裂纹表面形态的SEM断口图。可以清楚地看到树枝状的上层结构。红色箭头表示解理断裂区域，蓝色箭头表示凹陷断裂区域。黄色虚线区域标记了图7中描绘的EDX映射的区域

3.3.用EDX和APT分析裂纹表面化学成分

图7描绘了Fe、C和碳化物形成元素V、Mo和w的EDX浓度图。图7 (a)显示了可分为三个区域的绘制区域的断口图。区域A描绘了裂纹表面上的解理断裂区域。在区域c的裂纹表面上可以假定有凹痕。相反，区域B显示了上述结构，这些结构既不能被明确指定为解理，也不能被指定为凹痕断裂区域。浓度图的某些区域(即，右上角和左下角)不能被检测器接近，这是因为由于断裂表面的粗糙度而导致的多孔区域的屏蔽效应。从图7 (b-f)中的元素图可以定性地推断出，与区域A和C相比，区域B显示出C、V、Mo和w的富集。此外，在区域B中Fe的显著贫化是明显的。然而，由于在EDX光谱中没有测定到可测量的信号，所以不能评估可能包含在热裂化或凝固裂化中的典型元素(即S和P)。

图7：裂纹表面的EDX浓度图。(a)中的黄色虚线表示三个区域。与A和C相反，区域B显示了C、V、Mo和w的显著富集。

除了EDX作图，APT还用于验证获得的定性结果。APT能够确定在原子水平上直接参与裂纹形成的相的化学成分。图8 (a)显示了直接取自样品500中Ag涂覆的裂纹表面的示例性APT尖端的3D重建，如2.3节所述。除铁和银离子外，还显示了含15 at% C的等浓度面。可以看出，该等值面直接位于Ag涂层下方。因此，使用圆柱形感兴趣区域(ROI，15 nm)来分析代表裂纹表面的过渡区的化学成分。当圆柱体几乎垂直于等值面时，与Ag涂层的界面表现出相当均匀的过渡。在图8 (b)中示出了沿着蓝色圆柱体的z方向的相应的一维浓度分布(增量0.2 nm)。富碳区的宽度约为15纳米。此外，在这一地区还发现了大量的钼、铬和钒。

图8：示例性APT尖端和沿蓝色圆柱体的z方向的相应浓度分布的3D重建:(a，b)裂纹表面的APT分析(样品500)；(c，d)回火层中无裂纹区域的APT分析(样品1000)

为了比较微观结构成分的局部化学成分和尺寸，电解制备的APT尖端取自回火层的无裂纹区域(样品1000)。图8 (c)示例性地示出了3D重建。富含碳的成分也很明显，从它们的成分和高的碳含量可以得出结论，它们代表碳化物。在图8 (d)中，显示了沿着蓝色圆柱形ROI(15nm)的相应浓度分布(增量0.4nm)。很明显，在重建中，碳化物，这里被15 at% C等值面限制，大于样品体积，因此没有完全显示。在等值面内，与基质成分相比，铁和钴明显减少。必须注意，对于所有参与元素，到周围矩阵的过渡相当陡峭。碳化物中的平均元素组成是从图8 (d)中70和110 nm之间的z范围获得的，并且是(以原子百分比计)。

3.4.显微组织成分的透射电镜研究

图9：(a)取自基板界面(样品500)的TEM薄片概述，用白色虚线标记。(b)描绘用于TEM评价的相的HEXRD衍射图。(c)快速傅立叶变换的TEM显微照片，描绘了紧邻裂纹的马氏体和M2C碳化物衍射斑点。

为了确定开裂中涉及的相的晶体结构，从基板界面处的分层区制备TEM薄片，参见图9 (a)。合理的假设是，由红圈标记的六个衍射斑点可以归属于上述六方M2C碳化物结构。

文献来源：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