東北大學李常有團隊增材頂刊：揭示構造方向對增材制造金屬材料的疲勞失效差異機理！

來源：材料學網

導讀：本文綜合地調查了建造方向所導致的疲勞失效過程和潛在的疲勞失效機理。我們發(fā)現，打印過程的體積能量密度影響的致密度，激光能量導致的殘余應力和建造方向所導致的顯微結構各向異性決定了增材制造的304L不銹鋼的疲勞壽命。通過對疲勞失效過程的實時監(jiān)控，我們發(fā)現循環(huán)變形誘導的疲勞裂紋萌生過程占據了大部分疲勞歷史，超過了95%。研究促進了我們當前對增材制造技術的理解，并為進一步提升增材制造材料疲勞性能提供了建議。

增材制造（AM）作為一種很有前途的制造技術，由于能夠制造出具有復雜幾何形狀的零件而引起了人們的極大關注。奧氏體316L或304L不銹鋼（SS）具有優(yōu)良的耐腐蝕和抗氧化性能，在醫(yī)療設備、船舶、核電站等多個行業(yè)得到了廣泛的應用。近年來，增材制備的奧氏體不銹鋼已顯示出克服傳統(tǒng)制造材料中廣泛存在的強度-塑性折衷的能力，從而實現了高強度和高塑性的結合。然而，增材制造材料的內部缺陷（特別是未熔合缺陷）、表面缺陷和殘余應力等內在缺陷會嚴重影響增材制造的奧氏體不銹鋼的疲勞性能，從而降低工程應用的可靠性。

大量的研究人員已經對包括粉末尺寸、激光功率、掃描速度、填充間距、層厚和掃描策略等基本工藝參數的疲勞性能影響，這些促進了對增材制造材料疲勞性能的理解和改進。這些研究試圖通過調整高溫梯度、高冷卻速率和局部熔化來最小化有害因素，如殘余應力、表面粗糙度和內部缺陷。即使如此，增材制造工藝也不可能完全消除缺陷，獲得完全致密的零件。很多研究人員也深入研究了建筑方向對增材制造材料疲勞性能的關鍵影響。然而，據作者所知，盡管已有大量關于靜態(tài)拉伸損傷的破壞過程和相應的潛在失效機制的研究，增材制造材料的疲勞破壞過程和增材制造材料疲勞動態(tài)損傷的潛在微觀結構機制尚未充分闡明。

在此，東北大學李常有教授團隊通過多種技術手段充分地揭示了增材制造材料顯微組織的各向異性對于疲勞性能的影響。重要的是，由聲發(fā)射信號確定的位錯流動狀態(tài)，紅外熱像顯示的能量耗散，以及由EBSD觀測和斷口分析得到的詳細的微觀結構變量，有助于我們理解SLM 304L SS在循環(huán)變形過程中的顯微結構演變機制。這些結果為我們進一步了解建造方向對SLM 304L SS疲勞性能的影響提供了新的內容。相應的研究成果以題 “Microstructure, surface quality, residual stress, fatigue behavior and damage mechanisms of selective laser melted 304L stainless steel considering building direction”發(fā)表在金屬頂刊Additive Manufacturing 上。

論文連接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102147

循環(huán)變形累積使疲勞裂紋從更為粗糙的零件上表面成核，這個過程受到表面缺陷，晶粒曲線和大角晶界密度的影響，并產生穩(wěn)定的能量消散和溫度升高。疲勞裂紋成核后，采集的聲信號和熱信號直接地展示了自由位錯活動狀態(tài)，裂紋擴展速率和材料損傷導致的能量消散過程。

圖2. 各組零件原始表面的三維表面形貌和表面粗糙度。（a-c）掃描速度分別為700mm/s(V1)、1100mm/s(V2)和1500mm/s(V3)的垂直零件。（d-f）掃描速度分別為700mm/s(H1)、1100mm/s(H2)和1500mm/s(H3)的水平零件。

結合成型件的表面質量，內部質量和殘余應力的分析，我們認為消除存在和連接零件表面的缺陷是進一步提升增材制造材料疲勞性能的關鍵路徑。此外，建造方向誘導的柱狀晶粒定向生長會導致零件表面的大角晶界密度的各向異性。通常，具有更高的大角晶界密度的零件表面在循環(huán)變形過程更容易發(fā)生位錯塞積，促進疲勞裂紋萌生，從而降低了增材制造零件的疲勞性能。通過對零件表面的疲勞失效過程的溫度場監(jiān)控，循環(huán)變形過程中的材料可恢復的內耗（位錯震蕩）使疲勞裂紋成核前的零件表面的溫度持續(xù)升高和發(fā)生穩(wěn)定的能量耗散，而隨著疲勞裂紋萌生，不可逆的微塑性變形引發(fā)的劇烈能量耗散使疲勞裂紋尖端的溫度急劇升高。并且，疲勞裂紋尖端的溫度受到打印工藝參數影響的零件內部缺少融合缺陷（LoF）的影響。

圖3. 304L 不銹鋼的顯微特征。（a-b）SEM 圖像，（c）TEM 圖像，（d-f）垂直零件上表面EBSD圖，（g-i）水平零件上表面圖。

圖4. 殘余應力測試位置。（a）測試方法，（b）垂直零件，（c）水平零件。

圖5. 殘余應力測試值。（a,c）垂直零件，（b,d）水平零件。

圖6. 疲勞測試的聲發(fā)射信號響應。（a,c,d）掃描速度分別為700mm/s(V1)、1100mm/s(V2)和1500mm/s(V3)的垂直零件。（b,d,f）掃描速度分別為700mm/s(H1)、1100mm/s(H2)和1500mm/s(H3)的水平零件。

圖7. 熱信號響應。（a-c）掃描速度分別為700mm/s(V1)、1100mm/s(V2)和1500mm/s(V3)的垂直零件。

圖8. 疲勞測試后的顯微結構變化。（a-h）垂直零件，（m-s）水平零件。