昆士兰大学研究：增材制造高强度低合金AISI 4340钢的最佳强度-延展性-韧性平衡

增材制造 (AM) 彻底改变了钢零件的制造，但并非所有钢都适合其独特的凝固特性。这种特性常常导致柱状颗粒形成、微观结构不均匀等问题，从而导致机械性能差、脆性和严重的各向异性。最近的研究已经使用接种或后处理处理来解决这个问题，但通常需要额外的成本和处理时间。

材料科学网分享了昆士兰大学张明星教授团队的研究成果“Additive Manufacturing of high-strength low Alloy AISI 4340steel with an optimization Strength-ductility-tough trade-off”。该研究旨在验证一些钢铁材料和增材制造之间的关系本质上是兼容的，从而产生本质上坚固且可在竣工条件下使用的组件。中等碳含量和低合金元素浓度使增材制造能够产生均匀、精细的贝氏体结构，元素偏析最小，并避免形成不稳定的残余奥氏体。该钢的高增材制造加工性能通过在宽加工窗口内实现高致密化（> 99.9％）得到证明，这可以通过适当调整加工参数来精确控制微观结构，从而诱导从上贝氏体到下贝氏体的转变。转化为苯乙烯，从而根据特定应用调整机械性能。材料科学网分享的昆士兰大学张明星教授团队的这项研究揭示了增材制造在加工高强度低合金钢方面的巨大潜力。

3D 科学谷见解

通过增材制造（AM）技术控制4340钢的显微组织主要是通过精确调整增材制造过程中的参数来实现对材料冷却速率、显微组织形成和相变的有效控制。 ”

增材制造 (AM) 工艺彻底改变了航空航天、汽车和生物医学行业工程部件的制造。与锻造、铸造等传统方法需要昂贵的模具/模具来制造几何复杂零件相比，逐层制造路线可以直接快速制造几何复杂度高的零件，从而显着节省生产时间。此外，使用传统的制造工艺（包括铸造）合成钢基复合材料非常困难。但增材制造已被证明在制造钢基复合材料方面是有效的，因为增强材料，特别是颗粒，可以直接添加到原材料中。此外，由于快速冷却产生的精细微观结构和位错强化，一些增材制造钢与传统钢相比表现出明显更高的强度。

《3D科学谷白皮书图文分析

”

然而，这种制造路线也导致了与传统铸造工艺显着不同的极端凝固条件，例如重复加热和熔化、定向和快速凝固以及大的热梯度（高达106 K/m）。这导致了与传统铸件不同的微观结构特征。循环加热/冷却还会促进显着的微观结构不均匀性，特别是在溶质含量高的合金中。与这些微观结构特征相关的问题可能包括高开裂倾向、较差的延展性和严重的性能各向异性。

最近的研究使用晶种处理和后热处理来调整所获得的结构，从而减轻各向异性并提高这些钢的机械性能。然而，这些额外的步骤会产生额外的时间和成本，特别是对于大规模工业生产。此外，后置还可能改变增材制造快速凝固直接获得的超细结构，降低机械强度。因此，理想的做法是找到本质上与增材制造兼容的钢材，生产出坚固耐用的零件，可以在竣工状态下使用，无需进行后处理。也没有适当的材料选择框架来评估钢材是否适合增材制造。

昆士兰大学张明星的团队开发了一个战略材料选择框架，并用它来识别适合增材制造的商业钢材。在此框架内，AISI 4340 超高强度低合金 (HSLA) 钢被认为是增材制造的有前途的候选材料。这项工作表明，AISI 4340 钢不仅具有较高的增材制造加工性能，因此可以在较宽的加工参数范围内制造高密度零件，而且还具有特别适合激光增材制造的成分（中碳和低合金浓度）。通过对显微组织和力学性能演变的研究，探讨了通过调整增材制造工艺参数可以控制4340钢的力学性能，使主导组织由上贝氏体转变为下贝氏体。研究表明，通过调整打印参数，制备的4340钢的强度可以接近锻件。此外，研究结果还证实，AM 制造的 4340 钢不需要后处理热处理，因为与 AM 相关的自回火足以对钢进行回火。这项工作可以揭示低合金钢增材制造在各种工程应用中的潜力。

相关研究成果发表在《Additive Manufacturing》上，标题为《Additive Manufacturing of high-strength low-alloy AISI 4340steel with a best Strength-ductility-toughness trade-offs》链接：

表1 优化的增材制造工艺参数。

图 1 增材制造 4340 钢的致密化行为：(a) 总体相对密度随体积能量密度的变化。 (b) 所选代表性样品的纵向显微照片。 (a)中的黄点是在600、800、1000和1200mm/s四种扫描速度下处理的样品，密度令人满意。 (b)中的橙色框表示在200w固定激光功率下进一步优化扫描速度对样品密度的影响。 (b)中的黄色框是在200 W的固定激光功率下以600、800、1000和1200 mm/s四种扫描速度加工的样品，密度令人满意。

图1显示了AM-4340钢试件在不同工艺参数下的致密化行为。 3D 打印钢材在所有研究的工艺参数中均表现出无裂纹特性。这证明了其固有的高增材制造加工能力。在低激光功率和高扫描速度下构建的样品，对应于激光密度输入小于≤60 J/mm3，由于激光穿透和熔化不足，具有高比例的缺乏融合的孔隙。样品密度随着激光输入能量的增加而增加，这可以通过增加激光功率或降低扫描速度来实现。 60 和 140 J/mm3 的能量输入范围（参见图 1a 中的黄色框）几乎完全消除了孔隙（图 1b），并产生了几乎完全致密的产品 (99.9%)。这一广泛的优化加工窗口展示了 4340 钢卓越的增材制造加工性能（也称为 3D 打印性能）。超出该范围的激光能量输入的进一步增加会导致样品的高孔隙率，这可能是由于过量的能量输入导致熔化状态从导电模式转变为匙孔模式。后者在熔池内具有显着的毛细管不稳定性和蒸发，产生高比例的小孔。由于小孔熔化模式固有的不稳定性，增加激光能量输入会导致熔池过热。这导致熔化层的表面粗糙度极高，并且致密化行为不可预测，如图 1a 所示的相对密度和能量输入之间的波动关系所证明的那样。

表2 4340钢在不同扫描速度下的相对密度与显微硬度的关系。

图2 不同扫描速度下AM制备的4340钢样品的去噪X射线衍射谱。

采用 XRD 分析 AM-4340 钢的相组成。去噪后的 XRD 谱如图 2 所示（原始数据如补充图 S1 所示）。不同工艺参数下样品的物相组成没有明显差异。主相是α-铁素体，可以是马氏体和/或贝氏体。另外，低扫描速度（600mm/s）时样品中存在少量残余奥氏体。但由于 XRD 谱中 43° 和 51°（图 2 中蓝色框）处的 FCC γ 奥氏体信号较弱，残余奥氏体体积分数的计算精度很低，可能低于检测限。 0.5 重量的 XRD %。因此，未提供残余奥氏体的体积分数。使用 SEM 和 TEM 对 AM 制造的 4340 样品进行详细的微观结构检查，如以下部分所示。

图 3 在不同扫描速度下生产的增材制造 4340 钢的 (a – d) 纵向 EBSD-IPF 图和 (e – f) EBSD 极图：(a 和 e) 600 mm/s，(b 和 f) 800 mm /s、（c 和 g）1000 mm/s 和（d 和 h）1200 mm/s，以及代表晶粒取向的 IPF 色键。 (i) 4个样本内α′块对应的尺寸分布统计。 BD：构建方向。

图4 4340钢样品的SEM二次电子显微组织，扫描速度为（a）600 mm/s，（b）800 mm/s，（c）1000 mm/s，（d）1200 mm/s。 (e) (a)中黄色标记区域的主要成分元素(Fe、C、Si、Mn、Mo、Ni)对应的高分辨率EDS图像。 BD：构建方向。

图5(a)透射电子显微镜明场显微照片； (b) TEM暗场，显示α'-板条之间析出的碳化物； (c) 以 600 mm/s 的扫描速度进行增材制造，4340 钢 (a) 中黄色标记区域的 SAED 图案，沿 [100] α' 观察。 (d) TEM 明场显微照片； (e) TEM 暗视野显微照片显示，更细的碳化物（由蓝色箭头表示）分散在铁素体板（由白色虚线标记）内； (f)以1200mm/s的扫描速度沿[100]α'线观察到的(d)中黄色标记区域的SAED图案。

图6(a)当扫描速度为600 mm/s时，以[011]α为扫描方向观察4340钢的TEM明场显微照片。 (a)中的绿色箭头表示薄膜结构。 (b) (a) 中红色标记区域的 SAED 图案； (c) (a) 中蓝色标记区域的 SAED 图案。 (d) (a) 中黄色标记区域的高分辨率 TEM (HRTEM) 图像，插图显示相应的快速傅里叶变换 (FFT) 图案； (e & f) (d) 中的浅蓝色和浅绿色区域的高放大倍率图像，显示 (e) 贝氏体体区域和 (f) 薄膜区域中的 α' 原子构型。

图7 不同扫描速度(a) 600 mm/s、(b) 800 mm/s、(c) 1000 mm/s和(d) 1200 mm/s YS、UTS的工程拉伸应力-应变曲线(附后)以及所生产的增材制造 4340 钢样品的 EL 数据。

图8 不同扫描速度制备的4340钢样品的夏比冲击功。

表3 AM预制4340钢与变形4340钢力学性能比较。

图9 扫描速度为1000 mm/s时，用扫描电镜观察4340钢的断口形貌。 (a – c) 断裂表面的纵向视图，(d – f) 断裂表面的横向视图。黄色虚线区域代表中央纤维区。蓝色箭头表示裂缝扩展方向。高倍图像（b 和 e）在中心纤维区域发现微孔聚结凹陷，（c 和 f）在剪切唇区域发现微孔聚结凹陷。

图 10 将当前增材制造 4340 钢与其他先前报道的增材制造和常规加工 4340 钢以及其他增材制造钢的拉伸性能进行了比较。 (a) 屈服强度 (b) 极限拉伸强度。 L：纵向，T：水平。

图 11 当前增材制造的 4340 钢与其他先前报道的增材制造和传统加工的 4340 钢在对 UTS 的夏比冲击能方面以及与其他增材制造钢的比较。 (a) 屈服强度 (b) 极限拉伸强度。 L：纵向，T：水平。

图 12 AISI 4340 钢的时间-温度-相变 (TTT) 图。紫色锯齿形箭头表示增材制造过程中以循环和快速加热/冷却为特征的冷却轨迹。

表4 与普通AM钢的化学成分比较（重量%）。

表 5 调质 AM 制造的 4340 钢的拉伸性能。

图 13 工程拉伸应力-应变曲线，插图显示 AM 制造的 4340 钢在不同温度下回火的 YS、UTS 和 EL 数据：(a) 205°C，(b) 315°C，(C) 425°C，(d) ) 540°C。

本研究优化了中碳、低合金、高强度4340钢的增材制造工艺参数，获得了具有纳米贝氏体组织、无织构的全致密组织。 AISI 4340 钢的适当元素成分使其能够解决钢铁增材制造中遇到的常见挑战，研究表明，只要增材制造工艺能够充分保持密度，AISI 4340 钢特别适合增材制造。主要结果如下：

(1)AISI 4340钢的碳含量约为0.4wt%，合金元素含量相对较低。

（2）AISI 4340钢具有良好的增材制造加工性能，具有较宽的加工窗口，可以生产出密度高、微观组织细腻、各向同性力学性能良好的增材制造零件。

(3)对于AISI 4340钢的增材制造，可以通过调整增材工艺参数来精确控制显微组织，促进上贝氏体主要成分与下贝氏体主要成分之间的转变，从而使各方向力学性能各向同性可以根据特定的应用要求进行定制，无需额外的后热处理步骤。

(4)AM-4340钢良好的切削加工性和贝氏体转变也避免了缺陷、残余奥氏体膜、粗晶、织构区和柱状形貌等有害显微组织特征的形成。 AM- 4340 钢的机械性能表现出可忽略不计的各向异性。

(5)AM制造的4340钢具有更好的强度、塑性和韧性，与常规制造的4340钢相当，并超过大多数AM制造的钢。

(6)AM制造的4340钢构件可直接使用，无需进行后处理。

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昆士兰大学“增材制造”增材制造高强度低合金AISI 4340钢，实现强度-塑性-韧性平衡！

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