天津大學&華理工等：電弧增材制造的不銹鋼308L多軸低循環(huán)疲勞行為和壽命預測研究

來源：WAAM電弧增材

電弧增材制造（WAAM）因能以最快的沉積速度和最低的成本制造大型結構部件或零件而備受關注。奧氏體不銹鋼（SS）兼?zhèn)鋬?yōu)異的機械性能和耐腐蝕性能，被廣泛應用于汽車、航空航天和核工業(yè)領域。循環(huán)加載往往會導致奧氏體不銹鋼部件在其使用壽命期間發(fā)生疲勞失效，并且在許多應用中加載情況具有多軸特性，即使在單軸加載情況下，部件也可能由于復雜的幾何形狀或殘余應力的相互作用而經歷軸向和剪切應力共同作用的應力狀態(tài)，因此了解 WAAM 奧氏體不銹鋼在多軸應力條件下的循環(huán)和疲勞行為對于提供可靠的工程應用至關重要。

近日，天津大學同華東理工大學、天津市化工安全與裝備技術重點實驗室在材料科學領域期刊International Journal of Fatigue上發(fā)表了題為"Multiaxial low cycle fatigue behavior and life prediction of wire arc additive manufactured 308L stainless steel"的研究成果。本研究旨在通過對 WAAM 308L 不銹鋼進行軸向、扭轉以及軸向 - 扭轉多軸加載下的疲勞測試來填補一些研究空白。

圖 1.  (a) WAAM 308L 不銹鋼板和

(b) 熱軋 308L 不銹鋼棒的照片

圖 2. WAAM 308L 不銹鋼的微觀結構

(a) 為低倍率下垂直截面的光學顯微鏡（OM）圖像；

(b) 為高倍率下垂直截面的反極圖（IPF）；

(c) 為高倍率下水平截面的 IPF

DD 指沉積方向

圖 3. 熱軋 308L 不銹鋼的顯微結構

(a）為光學顯微鏡（OM）圖像；

（b）為反極圖（IPF）

圖 4. 疲勞試驗的試樣幾何形狀

圖 5. 加載路徑和應變加載模式示意圖：

（a）單軸；（b）扭轉；

（c）多軸環(huán)形路徑

圖 6. WAAM 和熱軋（HR）308L 不銹鋼在半衰期內

（a）單軸；（b）扭轉；

（c）圓形加載路徑下的軸向；

（d）圓形加載路徑下的剪切方向下的

應力-應變滯后環(huán)

圖 7. WAAM 和熱軋 (HR) 308L 不銹鋼在承受

(a) 單軸；(b) 扭轉；(c) 循環(huán)疲勞載荷時的

硬化和軟化曲線

圖 8. WAAM 和熱軋 (HR) 308L 不銹鋼的

疊加單調和等效循環(huán)應力-應變曲線

以及使用 von-Mises 準則獲得的數據

圖 9. WAAM 和熱軋（HR）308L 不銹鋼在承受

（a）單軸（c）扭轉疲勞載荷時的

應變振幅與疲勞壽命的關系；

WAAM 和 HR 308L 不銹鋼在承受

（b）單軸（d）扭轉疲勞載荷時

不同應變振幅下的疲勞壽命比

圖 10. 在等效應變振幅為 0.6 % 的扭轉循環(huán)加載下，

WAAM 308L 不銹鋼失效樣品

疲勞裂紋擴展路徑的 SEM 和 EBSD 結果，

(a-c) 為低倍放大率；(d-f) 為低倍放大率

(a)(d)為波段對比度圖；

(b)(e)為 IPF 圖；(c)(f)為相位圖

圖 11. WAAM 和熱軋 (HR) 308L 不銹鋼

在圓形加載路徑下的

等效應變振幅與疲勞壽命的關系

圖 12. 在不同加載路徑下，

(a) 熱軋（HR）和 (b) WAAM 308L 不銹鋼的

等效應變振幅與疲勞壽命的關系

圖 13. 熱軋 (HR) 308L 不銹鋼在

(a) 單軸加載、(b) 扭轉加載

和 (c) 多軸加載條件下的失效裂紋方向

圖 14. WAAM 308L 不銹鋼在

（a）單軸加載、（b）扭轉加載、

（c）多軸加載下的失效裂紋方向

圖 15. 不同臨界面方法對熱軋（HR）308L 不銹鋼

疲勞壽命的預測結果：

（a）（b）SWT；（c）（d）FS；

（e）（f）CXH（T）；（g）（h）CXH（S）模型

圖 16. 不同臨界面方法對 WAAM 308L 不銹鋼

疲勞壽命的預測結果：

（a）（b）SWT；（c）（d）FS；

（e）（f）CXH（T）；（g）（h）CXH（S）模型

關鍵結論
(1) 在單軸和扭轉加載路徑下，WAAM 308L SS 與熱軋 SS 的循環(huán)變形行為不同。WAAM 308L SS 在初始硬化后會出現持續(xù)的循環(huán)軟化，直至最終失效，而熱軋 308L SS 在初始硬化后會出現循環(huán)穩(wěn)定階段，并在一定應變幅值下出現循環(huán)軟化。然而，在多軸圓形加載路徑下，WAAM 308L SS 與熱軋 308L SS 表現出相似的循環(huán)變形行為，即初始快速硬化、循環(huán)軟化，然后循環(huán)穩(wěn)定直至最終破壞。

(2)在單軸加載路徑下，WAAM 308L SS 表現出循環(huán)軟化行為，這主要是由于其在制造過程中冷卻速度較快，導致位錯密度高于熱軋 308L SS（后者表現出循環(huán)硬化行為）。

(3)WAAM 308L不銹鋼表現出與熱軋材料類似的顯著非比例硬化現象，并且具有更大的額外硬化能力，這歸因于非比例硬化與晶粒尺寸之間的正相關關系。

(4) 與熱軋 308L SS 相比，在單軸加載條件下，WAAM 308L SS 在高應變振幅（0.8 %、1.0 %）下的疲勞壽命相對較長，但在低應變振幅下的疲勞壽命較短。這些差異源于與裂紋起始和擴展相關的不同失效機制。在承受扭轉載荷時，無論應變振幅如何，WAAM 308L SS 的疲勞壽命都明顯短于熱軋 308L SS，這是由于最大剪應力與柱狀晶粒取向一致，加速了裂紋擴展。然而，在應變振幅相同的多軸循環(huán)加載情況下，WAAM 和熱軋 308L 不銹鋼的疲勞壽命并無明顯差異。

(5) WAAM 308L 不銹鋼在扭轉循環(huán)加載條件下的疲勞壽命僅為相同等效應變幅值的單軸循環(huán)加載條件下的 80%，與 HR 308L 不銹鋼的 3-8 倍有顯著差異。這是由于 WAAM 工藝產生了大量柱狀奧氏體晶粒。因此，在工程應用中必須優(yōu)先檢查 WAAM SS 的扭轉應力，以防止過早出現疲勞失效。

(6) 在單軸加載下，WAAM 和熱軋 308L SS 都表現出拉伸疲勞失效機制。在多軸圓形載荷下，失效機理變得混合。但在扭轉載荷下則出現了明顯的差異。WAAM 308L SS 顯示出一種剪切失效機制，而熱軋 308L SS 的失效機制則隨施加的應變水平而變化。具體來說，在較大的應變振幅下，會從剪切失效轉變?yōu)槔�伸失效，但在較小的應變振幅下，仍然完全是拉伸失效。

(7) 使用單軸疲勞試驗數據和 Basquin-Coffin-Manson 法則獲得了 WAAM 和熱軋 308L 不銹鋼的循環(huán)特性，其中 WAAM 308L 的常數 b = -0.093，c = -0.898；熱軋 308L 的常數 b = -0.132，c = -0.490。熱軋 308L 不銹鋼和 WAAM 308L 不銹鋼的 Fatemi-Socie 模型 k 值分別為 1.476 和 0.079。

(8) 與 SWT 和 FS 模型不同，CXH 模型包含兩種不同的損傷參數：剪切損傷主導型和拉伸損傷主導型。事實證明，該模型能更有效地準確預測熱軋和 WAAM 308L SS 在各種加載條件下的疲勞壽命。因此，CXH 模型有望成為預測近乎全致密 AM 金屬多軸疲勞壽命的一種方法。

通訊作者
軒福貞，現任華東理工大學校長、黨委副書記，機械與動力工程學院教授。主要從事能源與動力裝備的設計、制造與運行維護技術研究，在壓力容器、超超臨界汽輪機、核電裝備等高溫設備的強度與壽命設計、安全評價及智能檢測/監(jiān)測方面取得創(chuàng)新成果。獲國家科技進步一等獎1項、二等獎1項，省部級特等獎1項、一等獎4項、二等獎1項，中國石油與化學工業(yè)聯合會青年科技突出貢獻獎。主持完成國家核電重大專項（課題）、國家儀器專項、863計劃、國家科技支撐計劃、國家自然科學基金等課題，參加《在役含缺陷壓力容器安全評定》、《承壓設備合于使用評價》等多項國家/行業(yè)標準的編制及研究工作。先后入選國家萬人計劃領軍人才、國家杰出青年基金、上海市領軍人才、上海市優(yōu)秀學科帶頭人等計劃或榮譽。兼任全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會委員、教育部第七屆科技委先進制造學部委員、承壓系統與安全教育部重點實驗室主任、核電裝備工程研究中心主任、壓力容器副主編等。

陳旭，天津大學講席教授，博士生導師，教育部“高校青年教師獎”獲得者。主要研究方向：結構（包括汽車零部件）完整性和可靠性、材料疲勞，損傷和斷裂機制、疲勞損傷檢測技術、結構優(yōu)化設計等。擔任國家重點研發(fā)計劃項目首席科學家，已主持完成科技部863項目、國家自然科學基金重點項目、國家杰出青年基金-海外青年學者合作基金項目等重要國家級項目。以第一成果人獲得教育部高等學校自然科學二等獎；2004年獲國務院特貼專家。已發(fā)表學術論文300余篇，其中被SCI收錄240篇，獲國家發(fā)明專利18項，美國專利1項。現擔任中國機械工程學會材料分會常務理事、中國材料研究會疲勞分會理事。擔任本領域頂級期刊國際疲勞雜志（Int. J. Fatigue）副主編, 工程材料和結構的疲勞斷裂（Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures）雜志，國際結構完整性（Int. J Structural Integrity）雜志編委。2008年獲湯姆森路透“Scientific Research Fronts Award“，2014至2022連續(xù)入選Elsevier中國高被引學者榜單，2022年入選全球前2%頂尖科學家-終身科學影響力排行榜。


論文引用
Yajing Li, Shuyao Zhang, Wanqi Yu, Bo Li, Fuzhen Xuan, Xu Chen. Multiaxial low cycle fatigue behavior and life prediction of wire arc additive manufactured 308L stainless steel: International Journal of Fatigue183(2024)108241.

DOI:https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2024.108241