IJP：增材制造316L不銹鋼循環(huán)塑性和疲勞行為的實驗研究與數值模擬

與傳統(tǒng)制造方法相比3D打印(AM)有幾個優(yōu)勢，更大的設計靈活性和減少生產時間,。這些優(yōu)勢導致了AM 技術逐漸取代傳統(tǒng)的人造金屬。特別是由粉末床聚變-激光束(PBF-LB)制造的316L不銹鋼在核電等關鍵應用領域得到越來越多的應用,。因此,，預測 AM 316L的循環(huán)塑性和疲勞行為對于保證這些應用中的結構完整性至關重要。來自KTH Royal Institute of Technology的Subasic等基于增材制造316L不銹鋼循環(huán)塑性分析本構模型的迫切需要,，在室溫和300 °C 條件下,，根據不同構建方向的循環(huán)滯回線，對其各向異性特性進行了實驗研究,。提出了一個綜合的本構模型,，將 Armstrong-Frederick非線性運動硬化、Voce非線性各向同性硬化和Hill 各向異性屈服準則結合在一個三維返回映射算法中,。該模型對0 ° 和90 ° 方向的標本進行了校準,，并用45 ° 方向的標本進行了驗證。一組單一的硬化參數成功地代表了室溫下各種取向的彈塑性響應,。在高溫下觀察到一致的降低硬化趨勢，而45 ° 試樣取向始終表現出最高程度的應變硬化,。通過計算穩(wěn)定滯環(huán)的能量耗散,，結合疲勞試驗，提出了基于能量的疲勞壽命預測模型,，驗證了該模型的適用性,。

圖1. 在室溫下和300 °C下進行拉伸試驗，試樣在0 °C,、45 °C 和90 °C 方向上進行拉伸試驗

在圖1中,，工程應力-應變曲線描述了在 RT 和300 °C 下在0 ° 、45 ° 和90 ° 方向進行的單軸拉伸試驗的結果,。值得注意的是,，在這兩種溫度下，45度樣本的強度最高,，其次是水平方向的90度樣本,，而垂直方向的0度樣本的強度最低。這種趨勢可以歸因于構建層相對于加載方向的垂直取向,，以及沿構建方向拉長顆粒的材料擁有屬性的微觀結構,。如圖1所示，垂直0 ° 試樣沿加載方向顯示出較大的細長顆粒。這有利于位錯的運動,，使垂直樣品變弱,。相比之下，水平90度試樣和45度試樣的晶粒都明顯較細,，可以阻礙位錯運動,，從而導致更高的應變硬化。

圖2. 實驗和模型在 RT 方向(a)0 °和(b)90 °和300 °C方向(c)0 °和(d)90 °的循環(huán)彈塑性應力-應變曲線

在圖2中呈現了實驗遲滯回線與采用希爾各向異性屈服準則的彈塑性模型模擬的結果,。AM 金屬在300 °C 時表現出更明顯的各向異性,，導致不同方向的隨動硬化參數不同。將300 °C 循環(huán)試驗與室溫試驗進行比較,，發(fā)現前者的硬化行為較低,。具體而言，在圖2b 和 d 中,，90° 的樣本顯示出比圖2a 和 c 中所示的0° 樣本更明顯的硬化行為,。

圖3. AM 316L在0 °方向的疲勞壽命和常規(guī)304L在300 °C的疲勞壽命

圖4. AM 316L在0 °方向和常規(guī)304L方向疲勞試驗的單周耗能

圖4進一步闡明了AM 316L 和常規(guī)304L 疲勞壽命的區(qū)別，其中使用計算塑性算法計算了每個周期的能量密度耗散,。對于高能耗區(qū)的AM 316L,，能量耗散曲線在低能耗區(qū)有相似之處，并且與失效周期略有延長,。通過分析每次疲勞試驗的穩(wěn)定滯回回路,，確定每個循環(huán)的能量消耗。300 °C下0.4%循環(huán)試驗得出的硬化參數用于所有疲勞試驗,，應變幅度從0.2%到0.5% 不等,。

最后得到以下結論：在室溫和300 °C條件下，觀察到各向異性對AM 316L不銹鋼的剛度,、屈服強度和強度的顯著影響,，45 °C試樣的各向異性值比0 °C試樣高8-10% 。

與RT相比,，300 °C時的最大峰值應力顯著降低,。然而，在兩種溫度下,，屈曲前的最終應變振幅是相似的,。

實驗結果揭示了不同方向試樣循環(huán)硬化行為的顯著差異。45 °的試樣方向始終表現出最高程度的應變硬化,。

提出了一種基于能量的疲勞壽命預測模型,，用于預測 AM 316L不銹鋼在低周疲勞狀態(tài)下的疲勞壽命。

相關研究成果以“Experimental investigation and numerical modelling of the cyclic plasticity and fatigue behavior of additively manufactured 316 L stainless steel”為題發(fā)表在International Journal of Plasticity上（VOL. 176, May 2024, 103966）論文第一作者和通訊作者是M.Subasic,。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2024.103966