Mater. Sci. Eng., A：激光粉末床融合316不锈钢的疲劳和断裂行为-加工参数的影响

【引言】

激光粉末床融合技术（L-PBF）是一种用于制造金属部件的普遍的增材制造（AM）技术，设计灵活、资源有效利用率高。然而L-PBF的形成原理与材料去除技术不同，需要对材料的显微组织和力学行为进行评估。L-PBF材料因原料限制易于形成各种类型的孔隙，易于产生疲劳行为。目前应用于人体植入物的316L不锈钢往往需要良好的疲劳性能，由于后续热处理无法改变L-PBF材料的缺陷，所以加工条件的影响变得更为重要。

【成果简介】

近日，南洋理工大学Li Hua在Mater. Sci. Eng., A上发布了一篇题为“Fatigue and Fracture Behaviour of Laser Powder Bed Fusion Stainless Steel 316L: Influence of Processing Parameters”的文章。在该文章中研究人员通过激光粉末床融合（L-PBF）工艺制备316L不锈钢，研究了加工参数对疲劳行为的影响。该工作结果表明 ，对于316L不锈钢，当加工误差保持在±30%内时，孔隙率不会影响高周循环疲劳性能。在选区内，由于凝固组织缺陷，裂纹萌生。超越选区，过熔和欠熔化可导致孔隙率驱动的裂纹和较差的抗疲劳性能。另外，无论加工条件如何，发现耐疲劳性分别与低应力和高应力疲劳状态下的延展性和拉伸强度呈直接线性关系。

【致歉：很抱歉，未能找到通讯作者 Li Hua的确切中文名字，小编表示诚挚的歉意！】

【图片导读】

图一 L-PBF样品制备

(a) 316L不锈钢粉末SEM图；

(b) 样品制备示意图；

(c) 试样宏观示意图。

图二 试样光学显微图像

分别为0.5P₀，0.7P₀，P₀，1.3P₀和1.5P₀；黑色区域是孔隙或裂缝。

图三 试样典型缺陷

(a) 0.7P₀，欠融合缺陷，未熔合粉末；

(b) 1.5P₀，裂缝交联。

图四 XCT重建图

(a) 0.5P₀，欠融合缺陷交联；

(b) 0.7P₀，欠融合缺陷分离。

图五 力学性能测定

不同功率下的极限抗拉强度，0.2％偏移屈服强度和样品失效延伸率。

图六 S-N曲线

0.5P₀，疲劳强度显著降低，其余S-N特性接近。

图七 不同循环应力下的疲劳寿命

低周循环应力：438MPa；高周循环应力：657MPa。

图八 疲劳寿命分布

(a) 低周循环应力对延展性的影响；

(b) 高周循环应力对极限抗拉强度的影响；

图九 0.5P₀断口SEM图

438MPa循环应力，SEM图显示出大量孔以及未熔化粉末。

图十 疲劳起始阶段特征SEM图

1.5P₀，438MPa

(a) 孔隙驱动裂纹位置，标记为O1-O4；

(b-c) O2、O4放大图。

图十一 疲劳起始区域SEM图

(a) 0.7P₀，疲劳起始区域；

(b) 图(a)放大图，表现出穿晶断裂（A）和晶间断裂（B）两种断裂模式；

(c) P₀，疲劳起始区域；

(d) 图(c)放大图，表现出穿晶断裂（A）和晶间断裂（B）两种断裂模式；

(e) 1.3P₀，疲劳起始区域；

(f) 图(e)放大图，表现出穿晶断裂（A）和晶间断裂（B）两种断裂模式。

图十二 枝晶SEM图

(a) 0.7P₀，表现出穿晶断裂（A）和晶间断裂（B）两种断裂模式；

(b) 1.3P₀，表现出穿晶断裂（A）和晶间断裂（B）两种断裂模式。

图十三 断裂模式裂纹示意图

(a) 晶内断裂；

(b) 穿晶断裂。

图十四 0.7P₀断口SEM图

(a) 欠融合试样裂纹萌生；

(b) 孔附近未烧结粉末放大图。

图十五 裂纹扩展SEM图

(a) 晶粒间发生裂纹偏转，C为裂纹断裂，D为延展断裂；

(b) 亚晶粒间发生裂纹偏转。

图十六 Gumble极值分布参数比较

除了0.5P₀，L-PBF缺陷一般小于铸造缺陷，具有较窄的尺寸分布。

图十七 S-N值比较

常规奥氏体不锈钢R=-1，将其转换为R=0.1。

【小结】

1）对于水平取向的316L不锈钢样品，安全加工区域在±30%Ed₀内，可以产生最小裂纹和最佳疲劳S-N性质的完全致密部分。超出该区域，过熔和欠融化产生具有临界孔隙率的部件，早期裂纹萌生。

2）在安全处理区域内，高周疲劳特性对于由树枝晶或晶界颗粒中的滑移面产生疲劳裂纹引起孔隙度不敏感。在凝固期间增加冷却速率，例如降低激光功率，可以通过促进晶间疲劳裂纹萌生和裂纹分叉来改善高周疲劳抗力。

3）不管处理条件和孔隙度水平如何，疲劳强度分别在高周、低周疲劳寿命状态下与延展性和拉伸强度直接相关。在前一种情况下，延展性和高周循环疲劳断裂机理的相关因素，如树枝晶和晶界颗粒的大小可能直接相关。基于这些关系，可以解释L-PBF和常规316L不锈钢的高周循环疲劳性能的差异。

4）从设计工程的角度来看，样品可以建立在几个不同的加工参数下，首先在单调拉伸载荷下进行试验。可以根据组件的服务负载来选择适当的处理条件，例如，产生最高延展性的加工条件应用于制造低循环应力应用的零件。

文献链接：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）

本文由材料人编辑部新人组陈炳旭编译，点我加入材料人编辑部。

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