Mater. Sci. Eng., A：激光粉末床融合316不銹鋼的疲勞和斷裂行為-加工參數的影響

【引言】

激光粉末床融合技術（L-PBF）是一種用于制造金屬部件的普遍的增材制造（AM）技術，設計靈活、資源有效利用率高。然而L-PBF的形成原理與材料去除技術不同，需要對材料的顯微組織和力學行為進行評估。L-PBF材料因原料限制易于形成各種類型的孔隙，易于產生疲勞行為。目前應用于人體植入物的316L不銹鋼往往需要良好的疲勞性能，由于后續熱處理無法改變L-PBF材料的缺陷，所以加工條件的影響變得更為重要。

【成果簡介】

近日，南洋理工大學Li Hua在Mater. Sci. Eng., A上發布了一篇題為“Fatigue and Fracture Behaviour of Laser Powder Bed Fusion Stainless?Steel 316L: Influence of Processing Parameters”的文章。在該文章中研究人員通過激光粉末床融合（L-PBF）工藝制備316L不銹鋼，研究了加工參數對疲勞行為的影響。該工作結果表明 ，對于316L不銹鋼，當加工誤差保持在±30%內時，孔隙率不會影響高周循環疲勞性能。在選區內，由于凝固組織缺陷，裂紋萌生。超越選區，過熔和欠熔化可導致孔隙率驅動的裂紋和較差的抗疲勞性能。另外，無論加工條件如何，發現耐疲勞性分別與低應力和高應力疲勞狀態下的延展性和拉伸強度呈直接線性關系。

【致歉：很抱歉，未能找到通訊作者 Li Hua的確切中文名字，小編表示誠摯的歉意！】

【圖片導讀】

圖一 L-PBF樣品制備

(a) 316L不銹鋼粉末SEM圖；

(b) 樣品制備示意圖；

(c) 試樣宏觀示意圖。

圖二 試樣光學顯微圖像

分別為0.5P₀，0.7P₀，P₀，1.3P₀和1.5P₀；黑色區域是孔隙或裂縫。

圖三 試樣典型缺陷

(a) 0.7P₀，欠融合缺陷，未熔合粉末；

(b) 1.5P₀，裂縫交聯。

圖四 XCT重建圖

(a) 0.5P₀，欠融合缺陷交聯；

(b) 0.7P₀，欠融合缺陷分離。

圖五 力學性能測定

不同功率下的極限抗拉強度，0.2％偏移屈服強度和樣品失效延伸率。

圖六 S-N曲線

0.5P₀，疲勞強度顯著降低，其余S-N特性接近。

圖七 不同循環應力下的疲勞壽命

低周循環應力：438MPa；高周循環應力：657MPa。

圖八 疲勞壽命分布

(a) 低周循環應力對延展性的影響；

(b) 高周循環應力對極限抗拉強度的影響；

圖九 0.5P₀斷口SEM圖

438MPa循環應力，SEM圖顯示出大量孔以及未熔化粉末。

圖十 疲勞起始階段特征SEM圖

1.5P₀，438MPa

(a) 孔隙驅動裂紋位置，標記為O1-O4；

(b-c) O2、O4放大圖。

圖十一 疲勞起始區域SEM圖

(a) 0.7P₀，疲勞起始區域；

(b) 圖(a)放大圖，表現出穿晶斷裂（A）和晶間斷裂（B）兩種斷裂模式；

(c) P₀，疲勞起始區域；

(d) 圖(c)放大圖，表現出穿晶斷裂（A）和晶間斷裂（B）兩種斷裂模式；

(e) 1.3P₀，疲勞起始區域；

(f) 圖(e)放大圖，表現出穿晶斷裂（A）和晶間斷裂（B）兩種斷裂模式。

圖十二 枝晶SEM圖

(a) 0.7P₀，表現出穿晶斷裂（A）和晶間斷裂（B）兩種斷裂模式；

(b) 1.3P₀，表現出穿晶斷裂（A）和晶間斷裂（B）兩種斷裂模式。

圖十三 斷裂模式裂紋示意圖

(a) 晶內斷裂；

(b) 穿晶斷裂。

圖十四 0.7P₀斷口SEM圖

(a) 欠融合試樣裂紋萌生；

(b) 孔附近未燒結粉末放大圖。

圖十五 裂紋擴展SEM圖

(a) 晶粒間發生裂紋偏轉，C為裂紋斷裂，D為延展斷裂；

(b) 亞晶粒間發生裂紋偏轉。

圖十六 Gumble極值分布參數比較

除了0.5P₀，L-PBF缺陷一般小于鑄造缺陷，具有較窄的尺寸分布。

圖十七 S-N值比較

常規奧氏體不銹鋼R=-1，將其轉換為R=0.1。

【小結】

1）對于水平取向的316L不銹鋼樣品，安全加工區域在±30%Ed₀內，可以產生最小裂紋和最佳疲勞S-N性質的完全致密部分。超出該區域，過熔和欠融化產生具有臨界孔隙率的部件，早期裂紋萌生。

2）在安全處理區域內，高周疲勞特性對于由樹枝晶或晶界顆粒中的滑移面產生疲勞裂紋引起孔隙度不敏感。在凝固期間增加冷卻速率，例如降低激光功率，可以通過促進晶間疲勞裂紋萌生和裂紋分叉來改善高周疲勞抗力。

3）不管處理條件和孔隙度水平如何，疲勞強度分別在高周、低周疲勞壽命狀態下與延展性和拉伸強度直接相關。在前一種情況下，延展性和高周循環疲勞斷裂機理的相關因素，如樹枝晶和晶界顆粒的大小可能直接相關。基于這些關系，可以解釋L-PBF和常規316L不銹鋼的高周循環疲勞性能的差異。

4）從設計工程的角度來看，樣品可以建立在幾個不同的加工參數下，首先在單調拉伸載荷下進行試驗。可以根據組件的服務負載來選擇適當的處理條件，例如，產生最高延展性的加工條件應用于制造低循環應力應用的零件。

文獻鏈接：Fatigue and Fracture Behaviour of Laser Powder Bed Fusion Stainless Steel 316L: Influence of Processing Parameters（Mater. Sci. Eng., A. July 21, 2017, DOI: 10.1016/j.msea.2017.07.071）

本文由材料人編輯部新人組陳炳旭編譯，點我加入材料人編輯部。

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