与传统制造方法相比3D打印(AM)有几个优势，更大的设计灵活性和减少生产时间。这些优势导致了AM 技术逐渐取代传统的人造金属。特别是由粉末床聚变-激光束(PBF-LB)制造的316L不锈钢在核电等关键应用领域得到越来越多的应用。因此，预测 AM 316L的循环塑性和疲劳行为对于保证这些应用中的结构完整性至关重要。来自KTH Royal Institute of Technology的Subasic等基于增材制造316L不锈钢循环塑性分析本构模型的迫切需要，在室温和300 °C 条件下，根据不同构建方向的循环滞回线，对其各向异性特性进行了实验研究。提出了一个综合的本构模型，将 Armstrong-Frederick非线性运动硬化、Voce非线性各向同性硬化和Hill 各向异性屈服准则结合在一个三维返回映射算法中。该模型对0 ° 和90 ° 方向的标本进行了校准，并用45 ° 方向的标本进行了验证。一组单一的硬化参数成功地代表了室温下各种取向的弹塑性响应。在高温下观察到一致的降低硬化趋势，而45 ° 试样取向始终表现出最高程度的应变硬化。通过计算稳定滞环的能量耗散，结合疲劳试验，提出了基于能量的疲劳寿命预测模型，验证了该模型的适用性。
图1. 在室温下和300 °C下进行拉伸试验，试样在0 °C、45 °C 和90 °C 方向上进行拉伸试验
在图1中，工程应力-应变曲线描述了在 RT 和300 °C 下在0 ° 、45 ° 和90 ° 方向进行的单轴拉伸试验的结果。值得注意的是，在这两种温度下，45度样本的强度最高，其次是水平方向的90度样本，而垂直方向的0度样本的强度最低。这种趋势可以归因于构建层相对于加载方向的垂直取向，以及沿构建方向拉长颗粒的材料拥有属性的微观结构。如图1所示，垂直0 ° 试样沿加载方向显示出较大的细长颗粒。这有利于位错的运动，使垂直样品变弱。相比之下，水平90度试样和45度试样的晶粒都明显较细，可以阻碍位错运动，从而导致更高的应变硬化。
图2. 实验和模型在 RT 方向(a)0 °和(b)90 °和300 °C方向(c)0 °和(d)90 °的循环弹塑性应力-应变曲线
在图2中呈现了实验迟滞回线与采用希尔各向异性屈服准则的弹塑性模型模拟的结果。AM 金属在300 °C 时表现出更明显的各向异性，导致不同方向的随动硬化参数不同。将300 °C 循环试验与室温试验进行比较，发现前者的硬化行为较低。具体而言，在图2b 和 d 中，90° 的样本显示出比图2a 和 c 中所示的0° 样本更明显的硬化行为。
图3. AM 316L在0 °方向的疲劳寿命和常规304L在300 °C的疲劳寿命
图4. AM 316L在0 °方向和常规304L方向疲劳试验的单周耗能
图4进一步阐明了AM 316L 和常规304L 疲劳寿命的区别，其中使用计算塑性算法计算了每个周期的能量密度耗散。对于高能耗区的AM 316L，能量耗散曲线在低能耗区有相似之处，并且与失效周期略有延长。通过分析每次疲劳试验的稳定滞回回路，确定每个循环的能量消耗。300 °C下0.4%循环试验得出的硬化参数用于所有疲劳试验，应变幅度从0.2%到0.5% 不等。
最后得到以下结论：在室温和300 °C条件下，观察到各向异性对AM 316L不锈钢的刚度、屈服强度和强度的显著影响，45 °C试样的各向异性值比0 °C试样高8-10% 。
与RT相比，300 °C时的最大峰值应力显著降低。然而，在两种温度下，屈曲前的最终应变振幅是相似的。
实验结果揭示了不同方向试样循环硬化行为的显著差异。45 °的试样方向始终表现出最高程度的应变硬化。
提出了一种基于能量的疲劳寿命预测模型，用于预测 AM 316L不锈钢在低周疲劳状态下的疲劳寿命。
相关研究成果以“Experimental investigation and numerical modelling of the cyclic plasticity and fatigue behavior of additively manufactured 316 L stainless steel”为题发表在International Journal of Plasticity上（VOL. 176, May 2024, 103966）论文第一作者和通讯作者是M.Subasic。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2024.103966
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