东北大学李常有团队增材顶刊：揭示构造方向对增材制造金属材料的疲劳失效差异机理！

来源：材料学网

导读：本文综合地调查了建造方向所导致的疲劳失效过程和潜在的疲劳失效机理。我们发现，打印过程的体积能量密度影响的致密度，激光能量导致的残余应力和建造方向所导致的显微结构各向异性决定了增材制造的304L不锈钢的疲劳寿命。通过对疲劳失效过程的实时监控，我们发现循环变形诱导的疲劳裂纹萌生过程占据了大部分疲劳历史，超过了95%。研究促进了我们当前对增材制造技术的理解，并为进一步提升增材制造材料疲劳性能提供了建议。

增材制造（AM）作为一种很有前途的制造技术，由于能够制造出具有复杂几何形状的零件而引起了人们的极大关注。奥氏体316L或304L不锈钢（SS）具有优良的耐腐蚀和抗氧化性能，在医疗设备、船舶、核电站等多个行业得到了广泛的应用。近年来，增材制备的奥氏体不锈钢已显示出克服传统制造材料中广泛存在的强度-塑性折衷的能力，从而实现了高强度和高塑性的结合。然而，增材制造材料的内部缺陷（特别是未熔合缺陷）、表面缺陷和残余应力等内在缺陷会严重影响增材制造的奥氏体不锈钢的疲劳性能，从而降低工程应用的可靠性。

大量的研究人员已经对包括粉末尺寸、激光功率、扫描速度、填充间距、层厚和扫描策略等基本工艺参数的疲劳性能影响，这些促进了对增材制造材料疲劳性能的理解和改进。这些研究试图通过调整高温梯度、高冷却速率和局部熔化来最小化有害因素，如残余应力、表面粗糙度和内部缺陷。即使如此，增材制造工艺也不可能完全消除缺陷，获得完全致密的零件。很多研究人员也深入研究了建筑方向对增材制造材料疲劳性能的关键影响。然而，据作者所知，尽管已有大量关于静态拉伸损伤的破坏过程和相应的潜在失效机制的研究，增材制造材料的疲劳破坏过程和增材制造材料疲劳动态损伤的潜在微观结构机制尚未充分阐明。

在此，东北大学李常有教授团队通过多种技术手段充分地揭示了增材制造材料显微组织的各向异性对于疲劳性能的影响。重要的是，由声发射信号确定的位错流动状态，红外热像显示的能量耗散，以及由EBSD观测和断口分析得到的详细的微观结构变量，有助于我们理解SLM 304L SS在循环变形过程中的显微结构演变机制。这些结果为我们进一步了解建造方向对SLM 304L SS疲劳性能的影响提供了新的内容。相应的研究成果以题 “Microstructure, surface quality, residual stress, fatigue behavior and damage mechanisms of selective laser melted 304L stainless steel considering building direction”发表在金属顶刊Additive Manufacturing 上。

论文连接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102147

循环变形累积使疲劳裂纹从更为粗糙的零件上表面成核，这个过程受到表面缺陷，晶粒曲线和大角晶界密度的影响，并产生稳定的能量消散和温度升高。疲劳裂纹成核后，采集的声信号和热信号直接地展示了自由位错活动状态，裂纹扩展速率和材料损伤导致的能量消散过程。

图2. 各组零件原始表面的三维表面形貌和表面粗糙度。（a-c）扫描速度分别为700mm/s(V1)、1100mm/s(V2)和1500mm/s(V3)的垂直零件。（d-f）扫描速度分别为700mm/s(H1)、1100mm/s(H2)和1500mm/s(H3)的水平零件。

结合成型件的表面质量，内部质量和残余应力的分析，我们认为消除存在和连接零件表面的缺陷是进一步提升增材制造材料疲劳性能的关键路径。此外，建造方向诱导的柱状晶粒定向生长会导致零件表面的大角晶界密度的各向异性。通常，具有更高的大角晶界密度的零件表面在循环变形过程更容易发生位错塞积，促进疲劳裂纹萌生，从而降低了增材制造零件的疲劳性能。通过对零件表面的疲劳失效过程的温度场监控，循环变形过程中的材料可恢复的内耗（位错震荡）使疲劳裂纹成核前的零件表面的温度持续升高和发生稳定的能量耗散，而随着疲劳裂纹萌生，不可逆的微塑性变形引发的剧烈能量耗散使疲劳裂纹尖端的温度急剧升高。并且，疲劳裂纹尖端的温度受到打印工艺参数影响的零件内部缺少融合缺陷（LoF）的影响。

图3. 304L 不锈钢的显微特征。（a-b）SEM 图像，（c）TEM 图像，（d-f）垂直零件上表面EBSD图，（g-i）水平零件上表面图。

图4. 残余应力测试位置。（a）测试方法，（b）垂直零件，（c）水平零件。

图5. 残余应力测试值。（a,c）垂直零件，（b,d）水平零件。

图6. 疲劳测试的声发射信号响应。（a,c,d）扫描速度分别为700mm/s(V1)、1100mm/s(V2)和1500mm/s(V3)的垂直零件。（b,d,f）扫描速度分别为700mm/s(H1)、1100mm/s(H2)和1500mm/s(H3)的水平零件。

图7. 热信号响应。（a-c）扫描速度分别为700mm/s(V1)、1100mm/s(V2)和1500mm/s(V3)的垂直零件。

图8. 疲劳测试后的显微结构变化。（a-h）垂直零件，（m-s）水平零件。