《Acta Materialia》綜述：增材制造金屬的斷裂與疲勞(四)

7.1.穩(wěn)態(tài)FCG特性

大多數(shù)金屬和合金的疲勞裂紋擴(kuò)展行為是用廣泛使用的Paris關(guān)系描述的,，da/dN=C∆Km，其中da/dN是每個載荷循環(huán)的裂紋長度增量,，∆k是循環(huán)應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍,，m(FCG速率指數(shù))和C(FCG速率系數(shù))是材料特性常數(shù),。可以理解的是,，經(jīng)過熱處理的AM合金的穩(wěn)態(tài)FCG行為通常與其鍛造或鑄造對應(yīng)的合金相似,。這是預(yù)期的，因?yàn)榉�(wěn)態(tài)FCG速率對微觀結(jié)構(gòu)不那么敏感,；m是一個全局指標(biāo),，不一定反映有關(guān)局部效應(yīng)(如微觀結(jié)構(gòu)特征)的信息。然而,，處于AB狀態(tài)的合金通常表現(xiàn)出更高的FCG速率,，例如在LB-PBF、EB-PBF和LB-DED Ti6Al4V中,，這主要是由于C向更高的值移動,。這在一定程度上是由于存在高且不均勻的殘余應(yīng)力；拉伸殘余應(yīng)力提供了額外的裂紋驅(qū)動力,，導(dǎo)致向更高的R移動,，即，當(dāng)循環(huán)施加的應(yīng)力保持不變時,，平均施加的應(yīng)力發(fā)生移動,。Becker等人的這項研究。[197]在LB-PBF Ti6Al4V上的研究表明,，在低R(<0.3)時,，高殘余應(yīng)力導(dǎo)致高度可變的裂紋擴(kuò)展行為，而在高R時這一點(diǎn)并不明顯,。這意味著在低R時,，殘余應(yīng)力的影響足以影響裂紋驅(qū)動力，從而影響FCG行為,。類似的,，凱恩等人。報告說,，F(xiàn)GC率與殘余應(yīng)力水平相關(guān),；在較高的應(yīng)力水平下觀察到較快的FCG。這可能導(dǎo)致各向異性行為(第4.3節(jié)),。由于已知?dú)堄鄳?yīng)力與印刷機(jī),、掃描策略、零件尺寸和取向有關(guān),，因此AM合金在AB狀態(tài)下的FCG行為在不同的機(jī)器和設(shè)置上可能會有很大不同,。


圖12. (a)  在17-4PH 鋼在經(jīng)受析出硬化熱處理后的裂紋路徑；Locations 1 and 2 show圖 (b)中位置1和2的顯微組織1的顯微組織 ,  (c)位置2的顯微組織 ,。Arrows indicate 其中箭頭顯示的為剪切帶（ shear bands）,，主要是  δ-ferrite（鐵素體）, 會由于在δ-鐵素體和馬氏體之間的弱界面以及δ-鐵素體低的塑性和脆性二加速裂紋的擴(kuò)展

對AM Ti6Al4V的FCG行為進(jìn)行了最廣泛的研究,。HIP、AN和DA狀態(tài)下的FCG行為相似,。在大多數(shù)情況下,，熱處理后的m值為～3.5，與鍛造材料的m值相似,。在AB態(tài)下,，相對較低的m～為2.7，這歸因于其中存在細(xì)小的α‘(與熱處理條件下的α+β結(jié)構(gòu)相反),。在相對脆性的α‘相中,，裂紋主要在平行的α板條之間跨粒度擴(kuò)展，有可能在初級α板條邊界處發(fā)生偏轉(zhuǎn),，導(dǎo)致疲勞裂紋擴(kuò)展速率降低[270],。Leuders等人的研究成果。結(jié)果表明,，缺陷對孔隙率相對較低的LB-PBF Ti6Al4V的裂紋擴(kuò)展行為影響不大,，因?yàn)榕c缺陷相關(guān)的局部應(yīng)力集中不會提供任何顯著的附加裂紋驅(qū)動力。這與Poulin等人的觀察結(jié)果是一致的,。他研究了Inconel 625在不同孔隙率水平(0.1,、0.3和2.1%)下的FCG行為。如前所述,，雖然FCG行為僅受孔隙度水平的輕微影響,，但它對斷裂韌性的影響很大。


圖12-1 Optical micrograph of 17-4 PH 不銹鋼在不同熱處理狀態(tài)下的金相組織 ： (a) L-PBF H1025, (b) L-PBF CA-H900, 和 (c)變形 CA-H900.

類似地,，柱狀蜂窩結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致界面變?nèi)�,，例如LB-PBF 17-4PH中強(qiáng)調(diào)的沉淀硬化狀態(tài)。當(dāng)缺口沿建立方向(圖12)呈針狀時,，裂紋最初以I型擴(kuò)展,，然后轉(zhuǎn)變?yōu)镮I型。這一行為表明裂紋有沿柱狀晶界擴(kuò)展的趨勢,。δ-鐵素體沿細(xì)長晶界-ARIES的存在,，形成了弱化的界面，被認(rèn)為是觀察到的裂紋路徑偏離的主要原因,。

細(xì)觀結(jié)構(gòu)對AM合金FCG行為的重要作用在Al-Si合金中最為明顯,，其熔池邊界的特征是從細(xì)小的胞狀-樹枝狀微結(jié)構(gòu)特征轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮陌麪?樹枝狀微結(jié)構(gòu)。此外,，每個熔池內(nèi)的定向凝固導(dǎo)致胞狀凝固組織，其織構(gòu),；立方體材料中最有利的生長方向,。這些介觀結(jié)構(gòu)的邊界上裝飾著致密的易碎的Si顆粒的Ar射線,，導(dǎo)致沿激光軌跡的裂紋的形成。因此,，裂紋擴(kuò)展相對于激光軌跡的相對方向是決定FCG速率的一個重要因素,，導(dǎo)致特定方向的裂紋路徑輪廓，如圖13所示,。同樣,，LB-PBF Ti6Al4V中的柱狀PBG結(jié)構(gòu)與取向相關(guān)的FCG行為有關(guān)。在AB狀態(tài)下,，PBG提供了不同程度的裂紋曲折,，這影響了裂紋的閉合，我們稍后將討論這一點(diǎn),。


圖13  在 LB-PBF AlSi12時沿著掃描道德斷裂表面德SEM圖： (a) Z-X和 (b) X-Z 方向

7.2.接近臨界值FCG特性

接近臨界值FCG對合金的微觀組織高度敏感,，它取決于與裂紋幾何形狀(裂紋偏轉(zhuǎn)或分支)、裂紋尖端屏蔽(相變,、塑性或殘余應(yīng)力)和環(huán)境誘導(dǎo)效應(yīng)有關(guān)的裂紋閉合機(jī)制所產(chǎn)生的載荷條件,。在每個加載循環(huán)中，裂紋閉合和FCG之間的相互作用以接觸的裂紋面為樞軸,，吸收一部分載荷,；因此，局部降低了驅(qū)動力,。

AM合金的閾值行為在幾個參數(shù)中被報道,，許多AM工藝(特別是AB狀態(tài))所具有的細(xì)小組織導(dǎo)致FCG門檻值相對較低，而鍛造或鑄造對應(yīng)工藝的FCG門檻值相對較粗,。值得注意的是,，粗糙度誘導(dǎo)閉合效應(yīng)與AM生產(chǎn)的金屬中常見的介觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，例如在Ti6Al4V中,，由于柱狀PBG結(jié)構(gòu)或AlSi10 Mg和Al12Si合金中的熔池結(jié)構(gòu),。底層微結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈影響意味著通過熱處理和隨后的晶粒長大，可以改善其門檻行為和各向異性,。這一點(diǎn)特別重要,，因?yàn)镕CG的大部分時間和部分壽命都是在區(qū)域I中度過的。近閾行為的改善直接提高了材料對缺陷和表面粗糙度的敏感性,，從而提高了疲勞壽命,。

AM合金固有的介觀結(jié)構(gòu)的特定取向性質(zhì)意味著在區(qū)域I中也存在顯著的各向異性，無論是在測量的K_(Th)和閉合行為方面都是如此,。因此,，與拉伸性能不同的是，AM合金的近門檻FCG行為通常與取向有關(guān)。雖然通常只報道Z和X或Y方向,，但材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)理想上需要研究兩個裂紋面,，即垂直于XY和XZ或YZ面，以及兩個裂紋擴(kuò)展方向,，即Z和X或Y方向,，導(dǎo)致三個獨(dú)特的取向，即Z-X,，X-Y和X-Z,，其中第一個字母表示垂直于裂紋平面的方向，第二個字母表示裂紋擴(kuò)展方向,。雖然有八種不同的變化是可能的,，就像擠壓或軋制的材料一樣，通常使用的逐行旋轉(zhuǎn)的層-線構(gòu)建策略在X和Y上創(chuàng)建相似,，導(dǎo)致只有三個獨(dú)特的裂紋面和生長方向組合,。

7.2.1.鈦合金

在AB條件下，LB-PBF Ti6Al4V的K_(Th)值較低(R>0.5時為1.5~1.8 MPa√m),，與焊接材料相似,，這歸因于細(xì)小的針狀α的微結(jié)構(gòu)[267]。相比之下,，在EB-PBF上測得的K_(Th)值明顯較高,，當(dāng)R>0.5時，K_(Th)值在2.7~3.4 MPa√m之間,，這是因?yàn)镋B-PbF合金在AB態(tài)本身具有較大板條尺寸的α+β組織,，這是因?yàn)檫@一過程固有的冷卻速度明顯較慢。熱處理后,，EB-PbF和LB-PbF合金的K_(Th)值在R>0.5時均大幅度提高到3.1MPaPbF~4.6MPaPbF·m~(-1)√m,。Zhai等人[266]報道了與鍛造材料相似(3-4 MPa√m)的熱處理EB-PBF和LB-DED材料。


圖14 LB-PBF Ti6Al4V在 Z-X (邊緣)的裂紋輪廓, X-Z (垂直) 和 X-Y (平面)等方向的裂紋輪廓


圖14-1    L-PBF Ti-6Al-4V鈦合金時接近門檻值時的疲勞裂紋生長速率

接近閾值的FCG的各向異性在AB態(tài)合金中最為明顯,。為了理解這一點(diǎn),，需要同時考慮K次效應(yīng)和閉合效應(yīng)。Becker等人[267]認(rèn)為各向異性是由形態(tài)結(jié)構(gòu)引起的,。取向?yàn)?5°的初級α板條是裂紋擴(kuò)展的障礙,，導(dǎo)致裂紋在邊界處偏轉(zhuǎn)和分叉，這導(dǎo)致了Z-X方向上穿晶與穿晶斷裂小面的比例與X-Z和X-Y平面上的不同,。因此,，所需的裂紋驅(qū)動力在不同的裂紋面之間會有所不同。這與徐和Kumar等人的觀察結(jié)果是一致的,。結(jié)果表明,，PBG結(jié)構(gòu)對LB-PBF Ti6Al4V合金在近門檻值區(qū)的疲勞裂紋擴(kuò)展行為有直接影響，裂紋偏轉(zhuǎn)沿板條晶界和β相沿晶界α(熱處理后)出現(xiàn)。這種偏轉(zhuǎn)顯著地降低了I型裂紋的驅(qū)動力,，從而可能導(dǎo)致裂紋完全停止擴(kuò)展,。當(dāng)與柱狀PBG結(jié)構(gòu)相比較時，這一點(diǎn)尤其明顯,，如圖14所示。在某些情況下,，沿PBG邊界的優(yōu)先裂紋路徑是可見的,，即垂直于裂紋面，導(dǎo)致斷裂模式的混合性,，從而發(fā)生剪切型裂紋(II/III型)而不是開口型裂紋(I型),。

裂紋偏轉(zhuǎn)的程度也是特定于取向的，主要是由于初級板條形態(tài)的影響,，這取決于PBG結(jié)構(gòu),。在Z-X和X-Z方向擴(kuò)展的裂紋在其前方遇到等軸PBG結(jié)構(gòu)，而X-Y方向的裂紋則經(jīng)歷拉長的PBG結(jié)構(gòu),。凈效應(yīng)將是裂紋尾跡中不同程度的粗糙,，導(dǎo)致粗糙度引起的閉合效果不同。Macallister等人[270]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，產(chǎn)生雙峰組織的DA熱處理消除了這種介觀結(jié)構(gòu)效應(yīng),，證實(shí)裂紋閉合是由PBG結(jié)構(gòu)驅(qū)動的。因此,，柱狀PBG結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是一個主要的回撤,，因?yàn)樗鼘?dǎo)致了裂紋擴(kuò)展動力學(xué)方面的各向異性。


7.2.2鋼材

Riemer等人4100研究了316L鋼,、17-4PH鋼和18Ni300鋼的FCG行為,，報道了LB-PBF316L在AB和SR條件下與取向相關(guān)的K_(Th)，并報道了X-Z方向的閾值(9.1mPa√m)略低于Z-X方向的閾值(9.9mPa√m),。這種差異是由于裂紋的彎曲性造成的,，沿柱狀晶粒(X-Z)的裂紋擴(kuò)展使裂紋路徑平坦而不那么曲折，而沿Z-X方向的裂紋擴(kuò)展則使裂紋路徑更加曲折,，從而導(dǎo)致斷裂模式的混合性,，從而降低了K_(Th)。熱等靜壓獲得的等軸晶組織使各向同性裂紋擴(kuò)展性能與鍛造316L相當(dāng),。與LB-PBF 316L不同,，18Ni300似乎沒有表現(xiàn)出任何明顯的各向異性。報道了R=0.1時～5.7M Pa√m的2.5和,？K th,，與相應(yīng)的形變試樣(分別為2.5和5.6~5.8M Pa√m)相近。Suryawanshi等人。將他們在LB-PBF 18Ni300中觀察到的沒有各向異性歸因于沒有明顯的結(jié)晶學(xué)織構(gòu),，以及細(xì)觀結(jié)構(gòu)對強(qiáng)度的影響可以忽略不計,。值得注意的是，裂紋彎曲的尺度相當(dāng)小,，裂紋偏轉(zhuǎn)在長度尺度上與X-Z方向約0.5μm的凝固晶胞尺寸相似,。由于這種偏轉(zhuǎn)不會阻礙裂紋的擴(kuò)展，因此粗糙度引起的裂紋閉合在確定K_(Th)時不會起到任何重要作用,。然而,，在AM馬氏體時效鋼中，R>0.5的近閾值行為尚未得到深入研究,。優(yōu)先傾向蜂窩結(jié)構(gòu)和介觀結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致閉合效應(yīng)的不同,。

與LB-PBF材料相比，BJP 316L具有更好的近閾值FCG性能,。這是因?yàn)锽JP工藝產(chǎn)生的顯微組織特征中含有豐富的FCG的有效勢壘,，如60°方向錯誤的退火孿晶界、δ-鐵素體相和大角度晶界,。相反,，在LB-PBF材料中，由于存在細(xì)小的凝固蜂窩結(jié)構(gòu),，位錯交叉滑移很容易幫助塑性變形,。此外，由于50%的柱狀晶界的取向偏差小于5°,，LB-PBF微結(jié)構(gòu)很難阻止疲勞裂紋的擴(kuò)展,。這與相對較小的缺陷尺寸幾何形狀相結(jié)合，顯著提高了BJP 316L的無缺口疲勞性能,，我們稍后將討論這一點(diǎn),。

7.2.3 鎳基高溫合金

Ganesh等人重點(diǎn)研究了LB-DED Inconel625的疲勞裂紋擴(kuò)展行為，發(fā)現(xiàn)在14和24 MPa√m的較低應(yīng)力強(qiáng)度范圍∆K下,，疲勞裂紋擴(kuò)展行為明顯遜于其鍛造對應(yīng)材料,，而在m約為3.2時的穩(wěn)態(tài)區(qū)域則沒有發(fā)現(xiàn)差別。近閾值疲勞裂紋擴(kuò)展沿宏觀裂紋擴(kuò)展方向的柱狀面發(fā)生,。這些合金的一個明顯特點(diǎn)是,，經(jīng)過非最佳熱處理(見第3.2節(jié)，通常與過時效有關(guān))后,，細(xì)小的非平衡Laves顆�,？梢员Ａ粼谥�晶間區(qū)域。

這些區(qū)域可能成為相對較弱的部位,，在拉伸試驗(yàn)中開始斷裂,，并可能在接近閾值的區(qū)域促進(jìn)FCG,。Poulin等人報道了構(gòu)造方向和熱處理工藝在LB-PBF Inconel625的FCG行為中的作用。在R=0.1時,，K_(Th)值與孔隙度無關(guān),，當(dāng)R=0.1時，K_(Th)值與孔隙度無關(guān),，這是可以預(yù)期的,。雖然AB態(tài)的FCG電阻高度依賴于取向，但SR和HIP等熱處理不僅改善了FCG的性能,，而且降低了其各向異性,。KONEˇCNáet al[280,281]報道了LB-PBF 718在近閾值區(qū)的FCG抗力比變形合金差，這歸因于低硼含量,、更細(xì)小的顯微組織和殘余應(yīng)力。先前的研究表明,，提高硼含量,、縮小化氧的惡化效應(yīng)和增加裂紋尖端的位錯運(yùn)動阻力可以增強(qiáng)晶界粘聚力[282]。據(jù)報道,，HSAT后K TH值增加了三倍,，因?yàn)榍笆龅囊恍┰�因通過熱處理得到了緩解。

7.2.4 鋁合金

在AB狀態(tài)下,，AMAlSi12和AlSi10 Mg合金的K_(Th)測量值均在1~1.3兆帕·√m之間,。雖然時效后它們有了很大的改善，達(dá)到2~3 MPa√m,，但仍低于鑄造合金的3~3.4Mpa√m,。這可能是由于鑄造合金的YS較低，從而導(dǎo)致相對較大的Rp,，從而導(dǎo)致塑性誘發(fā)裂紋閉合,，提高了K_(Th)�,！�5鑄造合金的m值高于～3.4的LB-PBF合金,，這是由于鑄造合金組織中存在明顯較大的Si樹枝晶，其在rp范圍內(nèi)的斷裂和脫粘增加了每個載荷循環(huán)的裂紋速度,。雖然在LB-PbF合金中也觀察到了Si枝晶,，但鑄態(tài)合金具有Al和Si的共晶組織以及彌散的初生α-Al相，這是亞共晶成分的特征,。這在LB-PBF合金中是不存在的,。此外，LB-PBF合金具有更細(xì)小的顯微組織,。Suryawan-Shih等人[80]認(rèn)為細(xì)觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的曲折會導(dǎo)致粗糙度誘導(dǎo)的裂紋閉合,，從而降低裂紋驅(qū)動力和FCG速率,。LB-PBF AlSi_(12)雖然具有較低的K_(Th)，但也表現(xiàn)出較慢的FCG速率和較大的斷裂韌性,。

8.無缺口疲勞

第4節(jié)中討論的AM的工藝相關(guān)屬性對AM合金的高周疲勞(HCF)性能尤其不利,。低HCF強(qiáng)度通常歸因于較高的表面粗糙度[283-285]；表面的粗糙度起到疲勞裂紋萌生的作用,。此外,，內(nèi)部缺陷(在大小或數(shù)量上)，特別是具有低長寬比的LOF缺陷,，充當(dāng)疲勞裂紋的起始點(diǎn),。因此，表面粗糙度和孔隙率在控制AM零件的總體疲勞壽命方面起著主導(dǎo)作用,。雖然殘余應(yīng)力也可能影響臨界值附近的FCG,，如第7節(jié)所討論的，但它們的影響不太明顯,。材料的顯微組織表現(xiàn)出相對較小的主導(dǎo)性和間接性影響,。然而，它影響疲勞裂紋萌生的潛伏期,，這對HCF的壽命特別重要,，我們將在下面討論。

可以通過熱等靜壓處理來改變顯微結(jié)構(gòu)并減少孔隙率,，以及通過機(jī)械加工來改善表面光潔度,，從而提高HCF強(qiáng)度�,？紤]到HCF性能在結(jié)構(gòu)部件設(shè)計中材料選擇和制造方法選擇中的關(guān)鍵作用,，AM材料的疲勞性能必須得到徹底的表征，并確定和實(shí)施緩解低HCF強(qiáng)度的策略,。下面,，我們將討論AM合金的HCF行為，重點(diǎn)是結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系,。除非另有說明,，HCF強(qiáng)度是由即使在107周后也沒有發(fā)生疲勞破壞的應(yīng)力幅值來定義的。在大多數(shù)情況下,，它是使用旋轉(zhuǎn)彎曲變形(RBF)測試方法來評估的,，其中循環(huán)應(yīng)力是完全可逆的，即R=-1,。在某些情況下,，如圖所示，在拉伸(通常為R=0.1)下進(jìn)行軸向疲勞(AXF)試驗(yàn),。



8.1. Ti6Al4V

在可能的鈦合金中,，文獻(xiàn)僅報道了AM Ti6Al4V的HCF強(qiáng)度,。在AB條件下，LB-PBF Ti6Al4V的HCF強(qiáng)度(75~200 MPa)明顯低于變形合金(500~650 MPa),。改善表面光潔度可顯著提高合金的HCF強(qiáng)度(200-350 MPa),。建造部分的整體密度也有類似的作用；龔某等人,。[182]報道了通過提高密度,，LB-PBF和EB-PBF Ti6Al4V的壓力分別從45 MPa提高到180 MPa和50 MPa提高到270 MPa(AXF，R=0.1),。即使零件承受SR,，也沒有觀察到顯著的HCF行為改善，這表明殘余應(yīng)力在決定HCF強(qiáng)度方面不起關(guān)鍵作用,。

噴丸和hip通過封閉表面附近的缺陷,，顯著提高了HCF強(qiáng)度。然而,，如果高表面粗糙度保持不變,，HIP的效果是有限的。通過噴丸處理,，降低了表面粗糙度，使疲勞強(qiáng)度高達(dá)575-610 MPa,，這與鍛造鋁合金的HCF強(qiáng)度相當(dāng),。噴丸的優(yōu)點(diǎn)是在表面附近引入殘余壓應(yīng)力，降低表面粗糙度敏感性,。最近,，Lan等人提出了激光沖擊噴丸的使用方法。這導(dǎo)致了相當(dāng)大的殼層深度～450μm,，其壓應(yīng)力為～350 MPa,。同時，在噴丸區(qū)域觀察到α相的晶粒細(xì)化和球化,。然而,，他們并沒有檢測到HCF強(qiáng)度的潛在改善。

在AB狀態(tài)下,，密度最高的加工和拋光試樣的HCF強(qiáng)度仍低于變形合金,，突出了顯微組織的作用。AN通過修改微觀結(jié)構(gòu)來提高固有缺陷容限來增強(qiáng)疲勞性能,，該容限與接近閾值的FCG率直接相關(guān),，如第7節(jié)中詳細(xì)描述的那樣。Kumar和Ramamurty[168]對四種不同層厚和掃描旋轉(zhuǎn)組合的LB-PBF Ti6Al4V的缺陷大小,、形狀,、分布及其對HCF行為的影響進(jìn)行了詳細(xì)的分析,，以考察缺陷特征和微觀結(jié)構(gòu)對HCF行為的影響。RBF試驗(yàn)是在AB,、熱處理和噴丸(SP)條件下進(jìn)行的,。X射線斷層掃描被用來表征合金中缺陷的大小、形狀和分布,。他們的結(jié)果表明,，使用不同工藝參數(shù)組合生產(chǎn)的合金的HCF強(qiáng)度有顯著差異(圖15)。層厚(T)為30μm,，掃描旋轉(zhuǎn)角度(φ)為90°的合金的高強(qiáng)疲勞強(qiáng)度(340 MPa)明顯低于60μm和67°的合金(475 MPa),，盡管它們的相對密度幾乎相似(分別為99.63%和99.83%)。層析結(jié)果表明,，缺陷的大小和分布對所采用的工藝參數(shù)很敏感,。通過重新使用預(yù)測失效包絡(luò)的Kitagawa-Takahashi的(KT)圖，Kumar和Ramamurty對φ=90°的樣品中相對較低的HCF強(qiáng)度進(jìn)行了合理化,，使發(fā)現(xiàn)尺寸大于臨界尺寸ai的缺陷的可能性更高,。ai的值與斷裂力學(xué)框架內(nèi)材料的外加應(yīng)力和K次方直接相關(guān)。如圖15a和b所示,，在μ=90°的情況下,，d>36.5HCF m(ai對應(yīng)于φ強(qiáng)度)的累積缺陷概率為18%，而在φ=67°的情況下,，僅為2%,。換句話說，后一種情況下的大多數(shù)缺陷都是良性的,，從而導(dǎo)致更高的HCF強(qiáng)度,。


圖15 (a)  在AB熱處理狀態(tài)t-ϕ, 30 μm-90° 和 60 μm- 67°以及熱處理條件下，基于El-Haddad公式得到的 Kitagawa-Takahashi圖,；(b)  在前提條件為 t-ϕ, 30 μm-90° 和 60 μm- 67°時樣品可能的缺陷尺寸的分布

此外,，基于Macallister等人的研究，在DA之后可能會有更高的損害容忍度,。在相同的條件下,，當(dāng)√m(Z-X方向，R=0.1)為5.6M Pa時,，臨界缺陷尺寸～增加50%,。在Kumar和Ramamurty的研究[168]中，DA后HCF性能的提高分別是由于K TH的增加和缺陷直徑大于臨界尺寸的累積概率,。

與工藝有關(guān)的缺陷大小,、分布、表面粗糙度等屬性與顯微組織相關(guān)的K_(Th)與HCF強(qiáng)度之間的這種關(guān)系對于AM零件在承載應(yīng)用中的廣泛采用至關(guān)重要,，因?yàn)樗�可以用來預(yù)測疲勞壽命,。此外,，這種關(guān)系將適用于其他AM金屬。例如,，Beretta和Romano檢查了LB-PBF AlSi10 Mg疲勞強(qiáng)度的缺陷敏感性,，而Romano等人則檢測了疲勞強(qiáng)度的缺陷敏感性。在LB-PBF 17-4PH方面,，Zerbst等人的研究成果概述了基于上述工藝相關(guān)屬性的AM金屬的損傷容限設(shè)計方法,。

8.2.鋼材

關(guān)于EB-PBF和DED工藝生產(chǎn)的鋼的HCF強(qiáng)度的現(xiàn)有文獻(xiàn)有限，迄今報道的大部分工作都是關(guān)于使用LB-PBF工藝生產(chǎn)的合金,。采用AM工藝生產(chǎn)的316L和304L等奧氏體不銹鋼,，當(dāng)LOF缺陷較大時，其HCF強(qiáng)度可低至100 MPa[295,296],。降低孔隙率和表面粗糙度可使HCF強(qiáng)度提高到200~250 MPa,，與傳統(tǒng)制造的晶粒尺寸相近的鋼的HCF強(qiáng)度相似。Wood et al.觀察到SR對HCF強(qiáng)度影響不大,。然而,，與Ti6Al4V一樣，噴丸強(qiáng)化可顯著改善HCF(20%至40%)的強(qiáng)度,。通常,，304L具有比316L更高的HCF強(qiáng)度。


圖 16. Micrographs of BJP 316L不銹鋼樣品的顯微組織,，顯示在不同角落下的小的疲勞裂紋的起源,，循環(huán)107次之后，應(yīng)力幅度為  σa, 應(yīng)力為270 MPa,；EDS圖像顯示的是 基材中δ–ferrite（鐵素體）的角落裂紋的情形


圖16-1 在制造面和橫向平面的典型的顯微組織：(a, b) 3090, (c, d) 3067, (e, f) 6090, (g, h) 6067 ，均為沉積態(tài),，點(diǎn)線是為了方面觀察

Todd等人報道了垂直(Z)和水平(X)構(gòu)建的LB-PBF 316L試樣的HCF強(qiáng)度分別為100 MPa和270 MPa,。這種各向異性即使在熱等靜壓后仍然存在，這意味著它與表面粗糙度的差異有關(guān),，這些差異是由構(gòu)建方向的不同引起的,。相反，Moham-Mad等人報道,，加工和拋光后Z和X方向的HCF強(qiáng)度分別為～250和～360 MPa,。當(dāng)規(guī)格軸與構(gòu)建方向成45°時，記錄到的高強(qiáng)抗折強(qiáng)度為～70 MPa,�,；�于這些結(jié)果，Mohammad et al.[302]表明HCF強(qiáng)度的各向異性與層與層之間固有的弱界面強(qiáng)度有關(guān),。

Kumar等人比較了LB-PBF和BJP兩種工藝生產(chǎn)的316L合金的疲勞抗力,，發(fā)現(xiàn)LB-PBF合金的高強(qiáng)抗力僅為～10 0 MPa,，而BJP合金的高強(qiáng)抗力為～2 5 0 MPa。值得注意的是,，盡管與LB-PBF合金的～2.3%的孔隙率相比,，BJP合金的孔隙率要大得多(在3.7%到5.6%之間)，但bjp合金的hcf強(qiáng)度要比常規(guī)制造的合金高得多,。BJP試樣中的缺陷相對較小且分布均勻,，這可能是其具有較好的HCF性能的原因之一。然而,，關(guān)鍵原因在于微觀結(jié)構(gòu),。疲勞裂紋在缺陷角等內(nèi)應(yīng)力集中處成核，在高角度晶界,、退火孿晶界和δ-鐵素體相等微觀結(jié)構(gòu)特征處得到強(qiáng)化(見圖16),。

Kumar等人認(rèn)為，BJP產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)在阻止在循環(huán)加載條件下形核的裂紋方面更加有效,。這是因?yàn)槎塘鸭y主要是由于平面滑移(與AB條件下的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān))而保持其晶體性質(zhì),，從而得到偏轉(zhuǎn)。然而,，對于LB-PBF試樣,，其組織由凝固細(xì)胞和柱狀晶粒組成，這意味著從300 ~ 400 μm的LOF裂紋開始的疲勞裂紋擴(kuò)展不受它們的阻礙,。

Nezhadfar等人測量了經(jīng)過加工和拋光的17-4 PH鋼試樣的HCF強(qiáng)度為~ 400 MPa,。如果印刷后表面狀況沒有改變(即沒有進(jìn)行加工和拋光)，HCF強(qiáng)度隨時效溫度的增加而增加,，即H900處理為200 MPa, H1025和H1 150處理為300 MPa,。這表明，當(dāng)缺陷存在時,，過度老化更有益,。

在加工和拋光條件下，AM 18Ni300試樣的HCF強(qiáng)度在Z和X方向分別為~ 350和~ 450 MPa[128],。在疲勞加載過程中,，[Ti/Al]-O夾雜也會隨著靠近表面的裂紋而萌生疲勞裂紋。在400°C的溫度下,，觀察到反向行為;在Z向和X向測得的HCF強(qiáng)度分別為~ 440和~ 310 MPa,，裂縫主要由LOF裂縫引發(fā)。在490℃下進(jìn)行6小時的時效處理幾乎使室溫HCF強(qiáng)度增加了一倍[304],，這表明原位硬化可能是提高高溫疲勞抗力的原因,，從而轉(zhuǎn)化為更高的HCF強(qiáng)度。

8.3.鎳基高溫合金

到目前為止，大多數(shù)關(guān)于該合金系統(tǒng)的HCF研究都集中在Inconel718上,，Inconel718也是AM研究的鎳基高溫合金中最流行的變體,。AB態(tài)的HCF強(qiáng)度較低，為150-200 MPa(AXF,，R=0.1),，而形變狀態(tài)的HCF強(qiáng)度為450 MPa，這通常是由于表面粗糙度高和表面缺陷[305,306]所致,。

Yoichi等人報道了用兩臺不同的LB-PBF機(jī)器生產(chǎn)的按AMS 5663處理的Inconel718試樣獲得了兩種不同的HCF強(qiáng)度(Z方向在325~350 MPa之間,，X方向在200~300 MPa之間)。第二組試樣相對較低的強(qiáng)度和較明顯的各向異性歸因于較明顯的各向異性缺陷尺寸分布(Z方向?yàn)?0-160μm,，X方向?yàn)?0-119μm),，而第一組試樣的缺陷尺寸分布較小且相似(兩個方向的缺陷尺寸分布均為10-80μm)。

Witkin等人評價了R,、表面狀況和LB-PBF Inconel 718的構(gòu)建方向的影響,。它們在Z方向和X方向都獲得了相似的300Mpa的高強(qiáng)抗壓強(qiáng)度。在與Z成30°傾角的情況下制作的試件獲得了～350兆帕的高強(qiáng)抗壓強(qiáng)度,。加工后,，高強(qiáng)鋼的抗壓強(qiáng)度提高到～450 MPa。此外,，R對加工試樣的影響導(dǎo)致當(dāng)R=0.1和0.5時,，AXF分別降至280 MPa和240 MPa。這是意料之中的,，因?yàn)镠CF也受最大施加應(yīng)力的控制,。

幾乎沒有證據(jù)表明AM Inconel合金的顯微組織特征(包括Laves和δ相的存在)對合金的高強(qiáng)疲勞性能有影響。由于晶體織構(gòu)較弱,，晶粒尺寸,、孔隙率、δ析出物含量和晶界是決定疲勞強(qiáng)度的主要顯微組織特征,。一方面,，AM材料呈現(xiàn)出更細(xì)小的晶粒組織，疲勞性能有望更好,。然而，多孔性和大量的δ沉淀可能會克服這一積極影響,。在某些情況下,，疲勞失效是由于氧化物/碳化物夾雜物的裂紋萌生造成的。已知碳化物會在變形和鑄造合金中引發(fā)疲勞裂紋,。他們的存在被認(rèn)為來自粉末本身,，而不是LB-PBF過程。這些類型的夾雜物很脆，易于裂紋萌生,，類似于氣孔,。雖然與毛孔相比，這些夾雜物一般較小,，但它們的影響很難克服,；例如，使用髖關(guān)節(jié)治療無法去除它們,。

Sang et al.對LB-DED Inconel 718進(jìn)行了直接老化,，測得650°C下的HCF強(qiáng)度為500 MPa(AXF，R=0.1),，高于室溫HCF強(qiáng)度,。作者觀察到，在高溫下,，疲勞裂紋是從Laves相開始的,，而不是從缺陷開始的。此外,，觀察到裂紋在Laves相周圍擴(kuò)展,，這表明γ基體中的裂紋更容易發(fā)展。作者認(rèn)為,，Laves相的存在可能起到了阻礙裂紋擴(kuò)展的作用,，從而導(dǎo)致了較高的高溫HCF強(qiáng)度。Kirka等人在EB-PBF Inconel 718中和在HIP,、SA在1066°C下以及在低周疲勞狀態(tài)下老化之后觀察到類似的現(xiàn)象,。Griben et al.認(rèn)為δ相的存在會對裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生隨溫度變化的滯后效應(yīng)。而缺少γ’’降低了室溫的影響,，在500℃以上的溫度下,，裂紋延遲性更為顯著。現(xiàn)在還需要更多的工作來確定AM的微觀結(jié)構(gòu)助劑對材料HCF強(qiáng)度的影響,。


圖17-1 高周疲勞循環(huán)樣品的尺寸


圖17-2  IN718高溫合金的斷裂表面的SEM SE照片以及相應(yīng)的放大

8.4.鋁合金

Siddique等人的報告稱,，在不加熱構(gòu)建平臺的情況下，al - Si部件的HCF強(qiáng)度為~ 65 MPa,，而當(dāng)構(gòu)建平臺加熱到200°C時,，HCF強(qiáng)度為~ 10 0 MPa。在這兩種情況下,，均采用240℃SR熱處理2 h,。疲勞強(qiáng)度提高50%歸因于后者較低的孔隙率(0.12%)，而前者為0.25%,。然而,，由于冷卻速率的降低，建筑平臺加熱也增加了cel- lular結(jié)構(gòu)的尺寸，這也可能有助于提高54%的HCF強(qiáng)度,。

在AlSi12和AlSi10Mg合金中都觀察到一個有趣的現(xiàn)象,，即SR熱處理的影響，它增加了整體孔隙率和缺陷尺寸,。Naor等人報道了加工和拋光AB試樣的HCF強(qiáng)度約為120 MPa,。然而，在300°C SR 2 h和HIP(250°C, 180 MPa 2 h)處理后,，分別降至~ 70和~ 75 MPa,。SR標(biāo)本密度最低，HIP和AB標(biāo)本次之,。由SR和HIP引起的密度降低是由于熱誘導(dǎo)缺陷的形成,，這是與預(yù)測的結(jié)果是相反的。然而,，在500°C的SR和HIP之后,，產(chǎn)生了接近全密度的部件。AB試樣的HCF強(qiáng)度除了低孔隙率外,，還歸因于在細(xì)胞邊界上分離的Si粒子網(wǎng)絡(luò),。在SR和HIP過程中，長時間暴露在高溫下會破壞Si網(wǎng)絡(luò)(如圖6所示),，破壞拉伸強(qiáng)度和HCF強(qiáng)度,。粗化Si顆粒可作為疲勞裂紋萌生的位點(diǎn),。Changchum等人報道了經(jīng)過SR,、固溶和時效熱處理后HCF強(qiáng)度的顯著下降。然而,，這些發(fā)現(xiàn)與Suryawanshi等人[80]的報告相矛盾,，Suryawanshi等人報告了AlSi12在400°C條件下經(jīng)過6小時an處理后，其HCF強(qiáng)度從60 MPa提高到110 MPa,。

AM AlSi12和AlSi10Mg合金在熱處理過程中Si顆粒的粗化和數(shù)量的減少取決于熱處理溫度,。第3.2節(jié)中討論的微觀結(jié)構(gòu)變化可能會影響疲勞強(qiáng)度，這可以解釋(結(jié)合缺陷尺寸變化)HCF強(qiáng)度數(shù)據(jù)的變化,。例如,，Uzan等人報道T6熱處理后K值提高了80%。Simi- larly, Aboulkhair等人[34]報告了在520°C下1小時和160°C下6小時的雙熱處理后,，HCF強(qiáng)度從28 MPa提高到57 MPa,。

Todd 等人報道了在AB條件下，建筑方向?qū)�LB-PBF AlSi10Mg HCF強(qiáng)度的影響可以忽略不計,。Naor等人研究了SR AlSi10Mg在機(jī)械拋光前后的噴丸效果:拋光試樣的HCF強(qiáng)度約為110 MPa，略高于噴丸試樣的HCF強(qiáng)度約為100 MPa。AB表面處理的HCF強(qiáng)度為~ 75 MPa,，噴丸和拋光(電化學(xué)和機(jī)械)的樣品的HCF強(qiáng)度為~ 105 MPa,。雖然噴丸處理后殘余壓力仍然存在(這將顯著降低裂紋萌生的可能性)，但表面剩余的非晶態(tài)仍然導(dǎo)致HCF強(qiáng)度的顯著降低,。


圖18 在不同應(yīng)力水平下得到的斷裂表面 (75 MPa, 95 MPa, 145 MPa和 195 MPa) ,，樣品的熱處理條件為 SR+HIP at 250 °C，同時展示了最終的斷裂區(qū)域和最大的裂紋長度


圖18-1 AlSi10Mg 鋁合金的顯微組織：  (a) 沉積態(tài), (b) 熱處理之后, (c)  沉積態(tài)條件下在 XZ平面上被拉長的α-Al , (d) equiaxed α-Al grains as seen on the 沉積態(tài)條件下XY平面上等軸的  α-Al,； (e) Si spheroids in the α-Al matrix after T6熱處理之后 α-Al 基材中的Si 球形體,。所有的圖均為沉積態(tài)和熱處理狀態(tài)下的橫截面

9.總結(jié)

AM的出現(xiàn)將以前所未有的方式革新金屬零件的制造。為了實(shí)現(xiàn)這一潛力,，使AM合金成功地應(yīng)用于工業(yè)實(shí)踐,，對加工-組織-機(jī)械性能的深入理解是必須的。AM的附加特征,，如介觀結(jié)構(gòu),、孔隙度、殘余應(yīng)力,，以及它們之間復(fù)雜的相互作用,，使這一過程變得更加復(fù)雜。雖然在AM的制造方面以及組織和拉伸性能的評估方面已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究,，但對斷裂韌性和疲勞性能的研究相對較少,。由于這些性能是確保AM部件結(jié)構(gòu)完整性的關(guān)鍵(因此認(rèn)證)，更多的努力集中在疲勞和斷裂的AM合金是必要的,，以理解這些性能是如何控制上述特征,。反過來，這些知識可以用來設(shè)計耐損傷的結(jié)構(gòu)部件,。在這種情況下,，AM合金的以下獨(dú)特方面需要銘記在心。

雖然延展性是決定合金在工程實(shí)踐中適用性的一個重要屬性,，但對于AM合金來說,，它可能不是最重要的一個屬性。這是因?yàn)閮粜螤畹牟考�是直接制造��,，不需要進(jìn)一步的“二次機(jī)械加工”,，否則會使合金的延展性成為一個重要因素。由于斷裂韌性--在大多數(shù)常規(guī)制造的合金中作為延性指標(biāo)的一項關(guān)鍵性能--可以通過細(xì)觀結(jié)構(gòu)設(shè)計得到提高,，因此最好直接關(guān)注斷裂韌性的評估,，以及如何進(jìn)一步優(yōu)化強(qiáng)度和韌性。

激光加工的快速凝固條件導(dǎo)致合金元素在某些情況下具有亞穩(wěn)和細(xì)小的組織特征,，固溶度增加,，而構(gòu)建策略則提供了介觀組織特征,。前者增強(qiáng)強(qiáng)度，后者增強(qiáng)韌性,。AM為設(shè)計具有增強(qiáng)強(qiáng)度-韌性組合的合金提供的這些額外的“自由度”還沒有被充分利用,。

大多數(shù)金屬AM的起始材料都是粉末狀。因此,，在竣工零件中,，氣孔是不可避免的。雖然熱等靜壓等制造后處理可以顯著減少(甚至消除)孔隙率和未熔合缺陷,，但它們抵消了AM在一步生產(chǎn)最終零件方面的獨(dú)特優(yōu)勢,。(此外，擁有復(fù)雜和錯綜復(fù)雜設(shè)計特征的零件的臀部-AM的另一個關(guān)鍵特征-可能并不那么簡單,。),。由此可見，對用AM制造的構(gòu)件采用“損傷容限設(shè)計”理念是保證結(jié)構(gòu)完整性和可靠性的最佳途徑,。在這種方法中,，缺陷的存在被認(rèn)為是理所當(dāng)然的，這使得微觀和細(xì)觀結(jié)構(gòu)對近門檻疲勞裂紋擴(kuò)展和裂紋閉合行為的作用變得重要,。通過允許更大的臨界缺陷尺寸來大大提高了HCF的性能,。然后，采用基于斷裂力學(xué)的方法來保證在循環(huán)加載條件下裂紋的大小或長度不超過臨界裂紋尺寸,。為此,，必須詳細(xì)了解加工條件如何影響孔隙度。由于缺陷大小,、形狀和位置等方面在決定零件疲勞壽命方面起著至關(guān)重要的作用,，因此需要對它們進(jìn)行詳細(xì)的表征。

如果使用環(huán)境是富氫和腐蝕性的,，則會對AM合金的結(jié)構(gòu)完整性產(chǎn)生重大影響,，因?yàn)槠涔逃械膩喎�(wěn)相、細(xì)觀組織,、孔隙率和殘余應(yīng)力會降低性能,。因此，利用AM生產(chǎn)的合金的應(yīng)力腐蝕開裂和氫脆等方面的研究一直沒有引起足夠的重視,。

雖然人們在模擬AM過程本身和微觀組織發(fā)展方面做了很大的努力,，但基于力學(xué)的AM合金結(jié)構(gòu)-斷裂/疲勞性能關(guān)系的模擬還有待研究。通過這些努力獲得的洞察力在調(diào)整工藝條件以增強(qiáng)損傷抗力方面特別有用,，例如在微調(diào)細(xì)觀結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)抗裂性方面,。

目前，金屬AM零件在工業(yè)上被廣泛接受的一個主要障礙是顯微組織,、高殘余應(yīng)力,、表面光潔度和缺陷的存在的空間差異,，而這些缺陷是由原料、可建造的和機(jī)器對機(jī)器的變化性造成的,，這些缺陷的存在使金屬AM零件在工業(yè)上被廣泛接受的一個主要障礙是微觀組織的空間變化,、高殘余應(yīng)力、表面光潔度和缺陷的存在,。對工藝-結(jié)構(gòu)(包括屬性)-機(jī)械支柱連接的透徹理解將使我們能夠深入了解其中哪些是關(guān)鍵的(如果有的話)，從而更容易地將AM部件與確保的可靠性集成在一起,。



文章來源：

Fracture and fatigue in additively manufactured metals,

ActaMaterialia,Volume 219, 15October2021,117240,https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117240

參考資料：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.07.049

https://doi.org/10.1016/j.matchar.2019.01.028

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.05.041