研究团队来自IMDEA材料研究所和马德里卡洛斯三世大学（UC3M），并与法国及日本多家研究机构合作，在增材制造金属的断裂力学研究方面取得重要进展。相关成果发表在《固体力学与物理学杂志》（Journal of the Mechanics and Physics of Solids），展示了两种应用最广泛的3D打印铝合金和钛合金在高速载荷作用下的原位实时X射线观测结果。

研究不仅在孔隙尺度的损伤机制与宏观断裂响应之间建立了直接联系，也为提升3D打印合金的抗冲击性能提供了新思路。本次工作聚焦于AlSi10Mg和Ti-6Al-4V两种合金，它们是激光粉末床熔化（LPBF）增材制造工艺中最常用的材料之一。

LPBF技术可以逐层构建复杂结构，但在成形过程中容易在材料内部引入微小孔隙。迄今为止，这些缺陷在极端载荷条件下如何演化、如何触发失效，一直难以被直接观测和系统理解。

这项研究对航空航天、交通运输和国防等领域尤为关键，这些领域的关键部件经常承受剧烈的动态冲击和拉伸载荷。

IMDEA材料研究所高级研究员、论文作者之一Federico Sket博士表示：“这种方法让我们能够直接看到增材制造金属在极端载荷下内部损伤是如何产生并逐步演变的。”

UC3M教授、IMDEA材料访问科学家及合著者José A. Rodríguez Martínez补充指出：“我们首次将微观尺度上发生的损伤过程，与冲击实验中测得的宏观响应信号一一对应起来。”

在实验中，研究人员实时追踪了3D打印金属内部微孔在高速冲击下的行为：它们如何先塌陷、随后重新张开并扩展，最终相互连通并诱发断裂。

实验在欧洲同步辐射设施（ESRF）完成，该中心是全球领先的同步辐射研究平台之一。团队利用高强度X射线束，在金属试样以最高约750米/秒的速度受到冲击时，对其内部结构进行观测。

借助具有纳秒时间分辨率的超快X射线相位对比成像技术，研究人员记录下冲击过程中材料内部事件的完整时间序列：最初，冲击波使材料受到压缩，内部孔隙发生塌陷；随后，随着应力波传播，材料进入拉伸阶段，孔隙重新开启并逐渐长大；最终，这些孔隙彼此连通，形成内部裂纹，导致所谓的“剥离断裂”失效。

与通常从材料表面萌生并扩展的常规断裂不同，剥离断裂是在材料内部由于应力波反射和叠加等行为而形成的。由于裂纹起源于内部而非表面，这类损伤往往更难被检测和定量分析。

尽管AlSi10Mg和Ti-6Al-4V在具体断裂形貌上存在明显差异，但两种合金的失效都受同一类基本损伤机制控制：孔洞的生长与合并最终导致内部断裂。

IMDEA材料研究员、论文合著者Javier García Molleja博士指出：“总体而言，这项工作为3D打印金属在动态拉伸条件下的断裂行为提供了全新的认识。我们利用最新的快速X射线相位对比成像和高分辨率断层扫描技术，并建立了一套系统的实验方案，用于研究多孔材料在冲击载荷下的孔隙塌陷和剥离失效机理。”

这一实验框架也为增材制造金属在防护结构和能量吸收装置中的应用提供了新视角，凸显了其作为下一代工程解决方案的潜在优势。

本研究得到了ESRF欧洲同步辐射中心、法国马克斯·冯·劳埃-保罗·朗之万研究所，以及日本同步辐射研究机构（JASRI）的支持。

研究团队建议，未来可将这一实验方法推广至更多适用于增材制造的铝合金和钛合金牌号，以及镁等其他轻质3D打印金属，以系统评估其在极端冲击环境下的失效行为。