東北大學(xué)李常有團(tuán)隊(duì)增材頂刊：揭示構(gòu)造方向?qū)υ霾闹圃旖饘俨牧系钠�勞失效差異機(jī)理！

來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：本文綜合地調(diào)查了建造方向所導(dǎo)致的疲勞失效過(guò)程和潛在的疲勞失效機(jī)理。我們發(fā)現(xiàn)，打印過(guò)程的體積能量密度影響的致密度，激光能量導(dǎo)致的殘余應(yīng)力和建造方向所導(dǎo)致的顯微結(jié)構(gòu)各向異性決定了增材制造的304L不銹鋼的疲勞壽命。通過(guò)對(duì)疲勞失效過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，我們發(fā)現(xiàn)循環(huán)變形誘導(dǎo)的疲勞裂紋萌生過(guò)程占據(jù)了大部分疲勞歷史，超過(guò)了95%。研究促進(jìn)了我們當(dāng)前對(duì)增材制造技術(shù)的理解，并為進(jìn)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(shù)，由于能夠制造出具有復(fù)雜幾何形狀的零件而引起了人們的極大關(guān)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(shè)備、船舶、核電站等多個(gè)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，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(qiáng)度-塑性折衷的能力，從而實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度和高塑性的結(jié)合。然而，增材制造材料的內(nèi)部缺陷（特別是未熔合缺陷）、表面缺陷和殘余應(yīng)力等內(nèi)在缺陷會(huì)嚴(yán)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(yīng)用的可靠性。

大量的研究人員已經(jīng)對(duì)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(shù)的疲勞性能影響，這些促進(jìn)了對(duì)增材制造材料疲勞性能的理解和改進(jìn)。這些研究試圖通過(guò)調(diào)整高溫梯度、高冷卻速率和局部熔化來(lái)最小化有害因素，如殘余應(yīng)力、表面粗糙度和內(nèi)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?qū)υ霾闹圃觳牧掀�勞性能的關(guān)鍵影響。然而，據(jù)作者所知，盡管已有大量關(guān)于靜態(tài)拉伸損傷的破壞過(guò)程和相應(yīng)的潛在失效機(jī)制的研究，增材制造材料的疲勞破壞過(guò)程和增材制造材料疲勞動(dòng)態(tài)損傷的潛在微觀(guān)結(jié)構(gòu)機(jī)制尚未充分闡明。

在此，東北大學(xué)李常有教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)多種技術(shù)手段充分地揭示了增材制造材料顯微組織的各向異性對(duì)于疲勞性能的影響。重要的是，由聲發(fā)射信號(hào)確定的位錯(cuò)流動(dòng)狀態(tài)，紅外熱像顯示的能量耗散，以及由EBSD觀(guān)測(cè)和斷口分析得到的詳細(xì)的微觀(guān)結(jié)構(gòu)變量，有助于我們理解SLM 304L SS在循環(huán)變形過(guò)程中的顯微結(jié)構(gòu)演變機(jī)制。這些結(jié)果為我們進(jìn)一步了解建造方向?qū)�SLM 304L SS疲勞性能的影響提供了新的內(nèi)容。相應(yīng)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(gè)過(guò)程受到表面缺陷，晶粒曲線(xiàn)和大角晶界密度的影響，并產(chǎn)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(hào)和熱信號(hào)直接地展示了自由位錯(cuò)活動(dòng)狀態(tài)，裂紋擴(kuò)展速率和材料損傷導(dǎo)致的能量消散過(guò)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(jié)合成型件的表面質(zhì)量，內(nèi)部質(zhì)量和殘余應(yīng)力的分析，我們認(rèn)為消除存在和連接零件表面的缺陷是進(jìn)一步提升增材制造材料疲勞性能的關(guān)鍵路徑。此外，建造方向誘導(dǎo)的柱狀晶粒定向生長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)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(guò)程更容易發(fā)生位錯(cuò)塞積，促進(jìn)疲勞裂紋萌生，從而降低了增材制造零件的疲勞性能。通過(guò)對(duì)零件表面的疲勞失效過(guò)程的溫度場(chǎng)監(jiān)控，循環(huán)變形過(guò)程中的材料可恢復(fù)的內(nèi)耗（位錯(cuò)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(shù)影響的零件內(nèi)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(yīng)力測(cè)試位置。（a）測(cè)試方法，（b）垂直零件，（c）水平零件。

圖5. 殘余應(yīng)力測(cè)試值。（a,c）垂直零件，（b,d）水平零件。

圖6. 疲勞測(cè)試的聲發(fā)射信號(hào)響應(yīng)。（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(hào)響應(yīng)。（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(cè)試后的顯微結(jié)構(gòu)變化。（a-h）垂直零件，（m-s）水平零件。