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前言

越来越多的与AM金属零件相关的研究结果表明，与传统制造的零件相比，AM获得的零件具有更好的机械性能。如今，众所周知，尽管对AM部件的机械性能有如此好的研究结果，但是各向异性在性能中起着重要作用，这在一些工业应用中尤其重要。从疲劳性能的角度来看，考虑一些基于技术的问题是非常重要的。

例如孔隙率，竣工零件增加的表面粗糙度，残余应力，或者过程中构建方向的影响。与AM零件疲劳强度降低相关的现象可以通过调整零件的几何形状来补偿，即所谓的“增材制造设计”此外，有可能影响(在一定范围内)可显著改善AM零件疲劳性能的工艺参数。

材料

所有制造样品所用的粉末都是商业购买的，作为专用于激光粉末床聚变(L-PBF)的材料，在氩气气氛中雾化，颗粒直径在20至63范围内µm，密度等于7.92克/cm³，流动性水平为14.6s/50g。材料的扫描电子显微镜(SEM)分析如图一所示，其化学成分如下表所示。

粉末颗粒的特点是大部分呈球形，但也有一些卫星可见。这种变形和少量卫星与加工后重复使用相同的粉末有关，这在SLM等制造工艺中是允许的。

制造过程描述

疲劳分析专用样品的几何形状(如图所示2)是在SolidWorks2021软件中设计的，基于ASTME466-21标准。选择样品的尺寸，使其总长度适合SLM125HL装置。工艺参数是根据我们自己以前的研究选择的。

这些分析是基于工艺参数在高于默认值10%和低于默认值的小范围内的修改，有些例外来自文献。提到的修改包括以下因素:激光功率、激光曝光速度和影线距离。基于来自初步确定的参数的广泛组选择了五个最重要的组。参数值规定如下:“S_01”——SLM设备制造商专用于316L钢的主要参数。

“s15”——具有增加的影线距离但令人惊讶的低孔隙率(在所有具有增加的影线距离因子的样品中最低)的参数组，“s17”——在所有测试参数组中，制造过程中达到的记录的最高孔隙率和最低能量密度的参数组。还发现样品中最低的显微硬度是使用该组参数得到的，“s27”——获得最高显微硬度值的工艺参数组合。“s30”——根据研究，以最高能量密度值为特征的参数组。

工艺参数列表与我们自己的初步研究中的样品描述保持一致阐明研究结果的解释。

指定参数集的所有样品都是在单一过程中制造的(图3中显示了s01样品3)以确保每个样品组中材料特性的可重复性。对于每个参数集，在拉伸测试期间测试了五个样品。所有制造过程都是在氧含量低于0.1%的氩气氛中进行的。

所有样品都是水平取向的。这种定向保证了附加制造元件的最高可能强度和伸长率。在SLM处理后，使用线放电加工(WEDM)从基板上切下样品。此外，研磨每个样品的侧壁。侧壁的锐边经过滚压抛光，以在LCF试验过程中最大限度地降低该区域应力升高的可能性。

拉伸测试

为了确定LCF测试的基本值，之前根据自己的研究准备的静态拉伸图被使用(图4)。P1过程是由常规制造的316L钢(由商业购买的冷轧金属板制成)制成的样品的测试结果。为了与AM工艺保持一致——从金属板上切下P1样品，这样可以保持轧制方向与AM零件中的层沉积方向相似。

拉伸试验结果(图5)表明，在s17试样的情况下，总应变降低了40%,极限拉伸强度降低了16%。与使用316L钢的默认设置生产的S_01零件相比，这种现象是由于能量密度降低了20%。最大应变(47.1%)出现在s15试样上，是传统(P1)材料总应变值的75%。

低循环疲劳性能分析

在LCF过程中，材料在可变载荷条件下的行为特征非常重要，因为这种现象是局部缺陷产生的原因，如微裂纹或结构缺口。材料体积中的这种问题导致疲劳裂纹的产生，以及整个零件或结构的进一步断裂。

在SLM-ed零件的情况下，LCF分析非常重要，因为不同因素会导致特定的内部缺陷，例如粉末缺陷、粉末颗粒未熔合、机器腔室中不可靠的气流等。这种现象会直接影响制造零件的低循环疲劳性能。同时，这些现象的产生可以通过工艺参数修正来限制。这就是为什么在进行研究的第一步，应力幅度σa和塑性应变幅度εa制作了带有负载循环编号的图表(图6)。将所有AM样品(s101、s15、s17、s27和s30)与以常规方式制造的部件(P1)进行比较。

基于所获得的结果，如图6所示在整个加载循环数范围内，可以看到显著的应变幅度变化。这种波动证明了AM316L钢在整个载荷循环范围内循环软化的趋势。在常规制造的样品的情况下，循环软化阶段是短暂的，并严格依赖于总应变振幅(从8%到更低ε交流电值为90%ε交流电=0.50厘)。

应力幅度的进一步过程σa和塑性应变幅度εa曲线证明了两种材料类型(AM和传统制造)的循环稳定性。在AM情况下，最高的LCF性能记录在s01和s30样品中(约6000次循环)，最低的记录在s17样品中(约1200次循环)。在s01和s17样品的情况下，这给出了P1样品总LCF强度的65%,在s17样品的情况下，给出了15%。

寿命中期磁滞回线分析是低循环疲劳分析的第二步(图7)，这允许在0.30至0.45%的总应变振幅范围内记录s01样品的增加的应力水平。在几乎所有AM样品的情况下，对于等于0.50%的总应变振幅，可以观察到非常相似的滞后回线过程。

比较AM和传统制造的样品，可以看到精确的总应变振幅的较低应变值。在磁滞回线区域也可以看到一些差异——这种现象表明在总应变幅值准确的情况下进行LCF试验所需的能量。对于较高的总应变振幅值，上述差异不太明显(ε交流电=0.45和0.50厘)。

图中显示了记录的磁滞回线的形状，代表总应变振幅值等于0.30和0.50%8。磁滞回线峰值的分布证明了调幅样品的循环弱化趋势。在总应变幅值等于0.45%的所有AM样品的情况下，这种现象发生在整个LCF测试范围内。超过后ε交流电低于0.50%的值Nf/2，这样的现象就不那么强烈了。

εac是总应变幅度，εae是弹性应变幅度，εap是塑性应变幅度，E是杨氏模量，σ′f是疲劳强度系数，ε′f是疲劳延展系数，b是疲劳强度指数，和c是疲劳延展性指数。

等式允许为所有测试样品(s01、s15、s17、s27和s30)制作应变LCF图表，并以常规方式制作(P1)(图9).所描绘的曲线表明，在下面的样品断裂过程中，塑料成分占主导地位ε交流电=0.45%。最高值σ′f，以及ε′f记录了s17样品的因子。

在这种情况下，线条的倾斜角专用于ε美国联合通讯社（AssociatedPress的缩写）塑料组件与ε行政帐户(accountexecutive)弹性成分线最大。这种现象表明，在总应变振幅中，塑料成分的预期份额最高，如图10所示。同时，S_27样品的总应变振幅中塑料成分所占的份额最小。

采用五组工艺参数生产的AM零件的不同低周疲劳行为可能与不同的残余应力水平有关。这种现象对于AM过程来说是典型的。在s01、s17和s30试样的情况下，残余应力已经作为其它研究工作的一部分进行了测量。AM样品测得的残余应力如图11所示。

可以观察到低能量密度值(即，s17样品)增加了压应力的份额。从疲劳性能的角度来看，这种现象对低循环疲劳性能有积极的影响，但只是在整个零件中残余应力水平均匀分布的情况下。对于AM零件，残余应力水平与制造零件的几何形状密切相关。

通过断口图像的微观断口分析，确定了低周疲劳行为的特征。在总应变振幅等于0.30和0.50%的情况下，对经受测试的样品表面进行显微图像观察。图12中显示了取自所有AM样品和常规样品的断裂表面的详细图像。图12中的“a”栏显示了整个断裂面。白色箭头表示从裂纹起始点开始的断裂扩展方向。图12中“b”栏显示了放大倍数较高的选定区域。

两组断口——AM和常规断口——的特征都是塑性断裂行为，带有清晰可见的疲劳条纹。值得强调的是，常规制作的P1样品的断裂表面具有明显较不复杂的形貌。AM样品的层状结构显著影响破碎结构和多平面开裂行为的发生。

当仅比较AM样品断裂时，在s30样品的情况下，可以看到不太复杂的断裂表面。这是在制造这些样品的过程中使用高能量的结果，这导致了一种均匀化退火。在s17试样的断口图像上，可以看到大量未熔化的粉末颗粒和大量的气孔。s17样品中如此大量的缺陷造成了局部应力阻尼。

这种现象使得穿过未熔化粉末颗粒边界的小的微裂纹萌生，这可能是二次阶段裂纹的基础。那种现象如图13所示。

此外，在s17样品中，不仅在外表面，而且在内部体积中观察到局部裂纹源。这种现象与梁所描述的问题是一致的,发现多个聚集缺陷作为一个大缺陷协同作用，容易引发疲劳开裂；这种行为被称为村上方式。

AM的技术含义具有显著的潜力，因为它能够改变所获得零件的性能特性(即机械和疲劳性能)。它允许生产具有独特性能的零件，这些零件可以在某一精确范围内成形。研究结果为工艺参数对低循环疲劳性能的影响提供了新的认识。使用更高的能量密度值(167焦耳/mm³—S_30样品)比316L钢的默认值(58.6J/mm³—S_01样品)可以使AM零件的断裂过程类似于常规制造的对应物。

总结

根据所进行的研究，可以得出以下结论:SLM工艺参数的改变会影响所制造零件的孔隙率，从而严重影响这些零件的LCF。不同工艺参数的值影响经受LCF测试的样品的耗散能量的量。在总应变幅度范围从0.30%到0.45%的试验中，磁滞回线的主要差异是明显的。

根据Morrow方法，在总应变幅度超过0.45%的LCF试验中，AM零件断裂过程中塑料成分的份额增加。微观断口分析表明，与常规制造的对应物相比，AM部件的断口形貌更加复杂。竣工AM部件的可见分层结构影响了LCF开裂过程，这导致多平面裂纹数量增加。