天津大學(xué)&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(yù)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(jié)構(gòu)部件或零件而備受關(guān)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(yīng)用于汽車、航空航天和核工業(yè)領(lǐng)域。循環(huán)加載往往會導(dǎo)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(yīng)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(fù)雜的幾何形狀或殘余應(yīng)力的相互作用而經(jīng)歷軸向和剪切應(yīng)力共同作用的應(yīng)力狀態(tài)，因此了解 WAAM 奧氏體不銹鋼在多軸應(yīng)力條件下的循環(huán)和疲勞行為對于提供可靠的工程應(yīng)用至關(guān)重要。

近日，天津大學(xué)同華東理工大學(xué)、天津市化工安全與裝備技術(shù)重點實驗室在材料科學(xué)領(lǐng)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(zhuǎn)以及軸向 - 扭轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)

(a) 為低倍率下垂直截面的光學(xué)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(jié)構(gòu)

(a）為光學(xué)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(yīng)變加載模式示意圖：

（a）單軸；（b）扭轉(zhuǎn)；

（c）多軸環(huán)形路徑

圖 6. WAAM 和熱軋（HR）308L 不銹鋼在半衰期內(nèi)

（a）單軸；（b）扭轉(zhuǎn)；

（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(yīng)力-應(yīng)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(zhuǎn)；(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(diào)和等效循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

以及使用 von-Mises 準(zhǔn)則獲得的數(shù)據(jù)

圖 9. WAAM 和熱軋（HR）308L 不銹鋼在承受

（a）單軸（c）扭轉(zhuǎn)疲勞載荷時的

應(yīng)變振幅與疲勞壽命的關(guān)系；

WAAM 和 HR 308L 不銹鋼在承受

（b）單軸（d）扭轉(zhuǎn)疲勞載荷時

不同應(yīng)變振幅下的疲勞壽命比

圖 10. 在等效應(yīng)變振幅為 0.6 % 的扭轉(zhuǎn)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(jié)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(yīng)變振幅與疲勞壽命的關(guān)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(yīng)變振幅與疲勞壽命的關(guān)系

圖 13. 熱軋 (HR) 308L 不銹鋼在

(a) 單軸加載、(b) 扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yù)測結(jié)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(yù)測結(jié)果：

（a）（b）SWT；（c）（d）FS；

（e）（f）CXH（T）；（g）（h）CXH（S）模型

關(guān)鍵結(jié)論
(1) 在單軸和扭轉(zhuǎn)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(xiàn)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(xiàn)循環(huán)穩(wěn)定階段，并在一定應(yīng)變幅值下出現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(dǎo)致位錯密度高于熱軋 308L SS（后者表現(xiàn)出循環(huán)硬化行為）。

(3)WAAM 308L不銹鋼表現(xiàn)出與熱軋材料類似的顯著非比例硬化現(xiàn)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(guān)關(guān)系。

(4) 與熱軋 308L SS 相比，在單軸加載條件下，WAAM 308L SS 在高應(yīng)變振幅（0.8 %、1.0 %）下的疲勞壽命相對較長，但在低應(yīng)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(guān)的不同失效機制。在承受扭轉(zhuǎn)載荷時，無論應(yīng)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(yīng)力與柱狀晶粒取向一致，加速了裂紋擴展。然而，在應(yīng)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(zhuǎn)循環(huán)加載條件下的疲勞壽命僅為相同等效應(yīng)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(chǎn)生了大量柱狀奧氏體晶粒。因此，在工程應(yīng)用中必須優(yōu)先檢查 WAAM SS 的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，以防止過早出現(xiàn)疲勞失效。

(6) 在單軸加載下，WAAM 和熱軋 308L SS 都表現(xiàn)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(zhuǎn)載荷下則出現(xiàn)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(yīng)變水平而變化。具體來說，在較大的應(yīng)變振幅下，會從剪切失效轉(zhuǎn)變?yōu)槔焓?，但在較小的應(yīng)變振幅下，仍然完全是拉伸失效。

(7) 使用單軸疲勞試驗數(shù)據(jù)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(shù) b = -0.093，c = -0.898；熱軋 308L 的常數(shù) 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(shù)：剪切損傷主導(dǎo)型和拉伸損傷主導(dǎo)型。事實證明，該模型能更有效地準(zhǔn)確預(yù)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(yù)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(xiàn)任華東理工大學(xué)校長、黨委副書記，機械與動力工程學(xué)院教授。主要從事能源與動力裝備的設(shè)計、制造與運行維護技術(shù)研究，在壓力容器、超超臨界汽輪機、核電裝備等高溫設(shè)備的強度與壽命設(shè)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(xué)工業(yè)聯(lián)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(xué)基金等課題，參加《在役含缺陷壓力容器安全評定》、《承壓設(shè)備合于使用評價》等多項國家/行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的編制及研究工作。先后入選國家萬人計劃領(lǐng)軍人才、國家杰出青年基金、上海市領(lǐng)軍人才、上海市優(yōu)秀學(xué)科帶頭人等計劃或榮譽。兼任全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會委員、教育部第七屆科技委先進制造學(xué)部委員、承壓系統(tǒng)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(xué)講席教授，博士生導(dǎo)師，教育部“高校青年教師獎”獲得者。主要研究方向：結(jié)構(gòu)（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(shù)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等。擔(dān)任國家重點研發(fā)計劃項目首席科學(xué)家，已主持完成科技部863項目、國家自然科學(xué)基金重點項目、國家杰出青年基金-海外青年學(xué)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(xué)校自然科學(xué)二等獎；2004年獲國務(wù)院特貼專家。已發(fā)表學(xué)術(shù)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(xiàn)擔(dān)任中國機械工程學(xué)會材料分會常務(wù)理事、中國材料研究會疲勞分會理事。擔(dān)任本領(lǐng)域頂級期刊國際疲勞雜志（Int. J. Fatigue）副主編, 工程材料和結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂（Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures）雜志，國際結(jié)構(gòu)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(xué)者榜單，2022年入選全球前2%頂尖科學(xué)家-終身科學(xué)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