《Acta Materialia》：Synchrotron tomography of crack growth initiating from pores under elastoplastic loading in PBF-LB Ti-6Al-4V
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增材制造金属部件中孔隙引发的裂纹扩展行为及其对力学性能的影响。通过激光粉末床熔融制备Ti-6Al-4V含孔样品，结合同步辐射断层扫描和力学测试，揭示裂纹生长速率、方向、曲折度及多发性对断裂应变的主导作用，验证Rice-Drugan-Sham模型并量化热处理对裂纹扩展的影响。
Erik T. Furton|Nancy Huang|Michaela A. Luebbers|Alan L. Kastengren|Allison M. Beese
宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系，美国宾夕法尼亚州大学公园市，16802
摘要
尽管金属增材制造微结构中的孔隙会降低材料的强度和延展性，但对含孔组件的机械性能进行预测性建模需要更深入地理解孔隙引发的裂纹扩展机制。在本研究中，采用激光粉末床熔融技术在Ti-6Al-4V样品中制造了内部孔隙，并在同步辐射断层扫描（in situ）条件下对这些样品进行了力学测试直至断裂。研究发现，从孔隙边缘开始的裂纹扩展会随着变形的增加而加速，并主导了材料的断裂行为。通过裂纹扩展速率以及裂纹的曲折度、扩展方向和数量等参数，对Rice-Drugan-Sham裂纹扩展模型进行了校准，其中裂纹扩展角度对断裂应变的影响最为显著。通过分析裂纹扩展模型中各项参数的贡献，量化了三种热处理条件下裂纹扩展行为的差异。后续的有限元分析表明，虽然孔隙的存在降低了材料的屈服强度、抗拉强度（UTS）以及从屈服到断裂的应变，但准确计算这些性能参数时必须同时考虑裂纹扩展的影响。这些发现揭示了孔隙及其引发的裂纹如何影响增材制造金属的机械性能，从而能够更准确地预测材料缺陷相关的力学特性。
章节摘要
背景
利用激光粉末床熔融（PBF-LB）增材制造技术可以制备出高强度、耐腐蚀的Ti-6Al-4V三维组件，这些组件适用于生物医学和航空航天领域的轻量化结构应用[1,2]。为了控制微观结构，研究人员开发了多种后处理热处理方法，包括：（1）在高于450°C的温度下将马氏体α’相分解为α+β相；（2）进行应力消除处理
样品制备
采用ProX DMP 320（3D Systems公司，南卡罗来纳州罗克希尔）设备，按照制造商推荐的工艺参数制备了Ti-6Al-4V单轴拉伸样品：激光功率为245 W，激光扫描速度为1250 mm/s，层厚为60 μm。样品被加工成矩形棱柱体，其测量部分按照图1a所示的尺寸进行加工，以减少表面粗糙度对断裂行为的影响。随后对样品进行了后处理热处理以研究其影响
数字图像分析
所有三维重建结果均通过自定义的图像处理程序（MATLAB 2024b，The MathWorks公司，马萨诸塞州纳蒂克）进行了后处理。采用基于频率的滤波方法去除了条纹和环状伪影。通过自适应阈值分割法和绝对阈值分割法分别识别孔隙边缘附近的区域和大型孔隙的内部结构。此外还对图像进行了倾斜校正，以使样品的测量方向与实际方向一致
图像分析
如图6所示，无论孔隙直径大小如何，所有样品中的裂纹均从预设的孔隙处开始扩展。图7展示了不同热处理条件和孔隙直径组合下的裂纹扩展情况，图8则展示了垂直于加载方向的裂纹投影。在低应变范围内，多个裂纹前沿会同时出现
结论
本研究利用同步辐射断层扫描技术测量了在单调单轴拉伸条件下，PBF-LB制造的Ti-6Al-4V材料中由预设孔隙引发的裂纹扩展情况。除了裂纹扩展速率外，还量化了裂纹的扩展角度、数量和曲折度等参数，并将这些数据纳入Rice-Drugan-Sham模型中，通过比较模型各参数的变化来分析热处理对裂纹扩展的影响
作者贡献声明
Erik T. Furton：撰写初稿、可视化处理、结果验证、软件开发、实验设计、数据分析、数据分析整理。Nancy Huang：实验研究。Michaela A. Luebbers：实验研究。Alan L. Kastengren：撰写文本、审稿与编辑、实验监督、数据分析。Allison M. Beese：撰写文本、审稿与编辑、实验监督、资源协调、项目管理、方法设计、资金申请、概念构思。
