来源：WAAM电弧增材
电弧增材制造（WAAM）因能以最快的沉积速度和最低的成本制造大型结构部件或零件而备受关注。奥氏体不锈钢（SS）兼备优异的机械性能和耐腐蚀性能，被广泛应用于汽车、航空航天和核工业领域。循环加载往往会导致奥氏体不锈钢部件在其使用寿命期间发生疲劳失效，并且在许多应用中加载情况具有多轴特性，即使在单轴加载情况下，部件也可能由于复杂的几何形状或残余应力的相互作用而经历轴向和剪切应力共同作用的应力状态，因此了解 WAAM 奥氏体不锈钢在多轴应力条件下的循环和疲劳行为对于提供可靠的工程应用至关重要。
近日，天津大学同华东理工大学、天津市化工安全与装备技术重点实验室在材料科学领域期刊International Journal of Fatigue上发表了题为"Multiaxial low cycle fatigue behavior and life prediction of wire arc additive manufactured 308L stainless steel"的研究成果。本研究旨在通过对 WAAM 308L 不锈钢进行轴向、扭转以及轴向 - 扭转多轴加载下的疲劳测试来填补一些研究空白。
图 1. (a) WAAM 308L 不锈钢板和 (b) 热轧 308L 不锈钢棒的照片
图 2. WAAM 308L 不锈钢的微观结构 (a) 为低倍率下垂直截面的光学显微镜（OM）图像； (b) 为高倍率下垂直截面的反极图（IPF）； (c) 为高倍率下水平截面的 IPF
DD 指沉积方向
图 3. 热轧 308L 不锈钢的显微结构 (a）为光学显微镜（OM）图像； （b）为反极图（IPF）
图 4. 疲劳试验的试样几何形状
图 5. 加载路径和应变加载模式示意图： （a）单轴；（b）扭转； （c）多轴环形路径
图 6. WAAM 和热轧（HR）308L 不锈钢在半衰期内 （a）单轴；（b）扭转； （c）圆形加载路径下的轴向； （d）圆形加载路径下的剪切方向下的 应力-应变滞后环
图 7. WAAM 和热轧 (HR) 308L 不锈钢在承受 (a) 单轴；(b) 扭转；(c) 循环疲劳载荷时的 硬化和软化曲线
图 8. WAAM 和热轧 (HR) 308L 不锈钢的 叠加单调和等效循环应力-应变曲线 以及使用 von-Mises 准则获得的数据
图 9. WAAM 和热轧（HR）308L 不锈钢在承受 （a）单轴（c）扭转疲劳载荷时的 应变振幅与疲劳寿命的关系； WAAM 和 HR 308L 不锈钢在承受 （b）单轴（d）扭转疲劳载荷时 不同应变振幅下的疲劳寿命比
图 10. 在等效应变振幅为 0.6 % 的扭转循环加载下， WAAM 308L 不锈钢失效样品 疲劳裂纹扩展路径的 SEM 和 EBSD 结果， (a-c) 为低倍放大率；(d-f) 为低倍放大率 (a)(d)为波段对比度图； (b)(e)为 IPF 图；(c)(f)为相位图
图 11. WAAM 和热轧 (HR) 308L 不锈钢 在圆形加载路径下的 等效应变振幅与疲劳寿命的关系
图 12. 在不同加载路径下， (a) 热轧（HR）和 (b) WAAM 308L 不锈钢的 等效应变振幅与疲劳寿命的关系
图 13. 热轧 (HR) 308L 不锈钢在 (a) 单轴加载、(b) 扭转加载 和 (c) 多轴加载条件下的失效裂纹方向
图 14. WAAM 308L 不锈钢在 （a）单轴加载、（b）扭转加载、 （c）多轴加载下的失效裂纹方向
图 15. 不同临界面方法对热轧（HR）308L 不锈钢 疲劳寿命的预测结果： （a）（b）SWT；（c）（d）FS； （e）（f）CXH（T）；（g）（h）CXH（S）模型
图 16. 不同临界面方法对 WAAM 308L 不锈钢 疲劳寿命的预测结果： （a）（b）SWT；（c）（d）FS； （e）（f）CXH（T）；（g）（h）CXH（S）模型
关键结论
(1) 在单轴和扭转加载路径下，WAAM 308L SS 与热轧 SS 的循环变形行为不同。WAAM 308L SS 在初始硬化后会出现持续的循环软化，直至最终失效，而热轧 308L SS 在初始硬化后会出现循环稳定阶段，并在一定应变幅值下出现循环软化。然而，在多轴圆形加载路径下，WAAM 308L SS 与热轧 308L SS 表现出相似的循环变形行为，即初始快速硬化、循环软化，然后循环稳定直至最终破坏。
(2)在单轴加载路径下，WAAM 308L SS 表现出循环软化行为，这主要是由于其在制造过程中冷却速度较快，导致位错密度高于热轧 308L SS（后者表现出循环硬化行为）。
(3)WAAM 308L不锈钢表现出与热轧材料类似的显著非比例硬化现象，并且具有更大的额外硬化能力，这归因于非比例硬化与晶粒尺寸之间的正相关关系。
(4) 与热轧 308L SS 相比，在单轴加载条件下，WAAM 308L SS 在高应变振幅（0.8 %、1.0 %）下的疲劳寿命相对较长，但在低应变振幅下的疲劳寿命较短。这些差异源于与裂纹起始和扩展相关的不同失效机制。在承受扭转载荷时，无论应变振幅如何，WAAM 308L SS 的疲劳寿命都明显短于热轧 308L SS，这是由于最大剪应力与柱状晶粒取向一致，加速了裂纹扩展。然而，在应变振幅相同的多轴循环加载情况下，WAAM 和热轧 308L 不锈钢的疲劳寿命并无明显差异。
(5) WAAM 308L 不锈钢在扭转循环加载条件下的疲劳寿命仅为相同等效应变幅值的单轴循环加载条件下的 80%，与 HR 308L 不锈钢的 3-8 倍有显著差异。这是由于 WAAM 工艺产生了大量柱状奥氏体晶粒。因此，在工程应用中必须优先检查 WAAM SS 的扭转应力，以防止过早出现疲劳失效。
(6) 在单轴加载下，WAAM 和热轧 308L SS 都表现出拉伸疲劳失效机制。在多轴圆形载荷下，失效机理变得混合。但在扭转载荷下则出现了明显的差异。WAAM 308L SS 显示出一种剪切失效机制，而热轧 308L SS 的失效机制则随施加的应变水平而变化。具体来说，在较大的应变振幅下，会从剪切失效转变为拉伸失效，但在较小的应变振幅下，仍然完全是拉伸失效。
(7) 使用单轴疲劳试验数据和 Basquin-Coffin-Manson 法则获得了 WAAM 和热轧 308L 不锈钢的循环特性，其中 WAAM 308L 的常数 b = -0.093，c = -0.898；热轧 308L 的常数 b = -0.132，c = -0.490。热轧 308L 不锈钢和 WAAM 308L 不锈钢的 Fatemi-Socie 模型 k 值分别为 1.476 和 0.079。
(8) 与 SWT 和 FS 模型不同，CXH 模型包含两种不同的损伤参数：剪切损伤主导型和拉伸损伤主导型。事实证明，该模型能更有效地准确预测热轧和 WAAM 308L SS 在各种加载条件下的疲劳寿命。因此，CXH 模型有望成为预测近乎全致密 AM 金属多轴疲劳寿命的一种方法。
通讯作者
轩福贞，现任华东理工大学校长、党委副书记，机械与动力工程学院教授。主要从事能源与动力装备的设计、制造与运行维护技术研究，在压力容器、超超临界汽轮机、核电装备等高温设备的强度与寿命设计、安全评价及智能检测/监测方面取得创新成果。获国家科技进步一等奖1项、二等奖1项，省部级特等奖1项、一等奖4项、二等奖1项，中国石油与化学工业联合会青年科技突出贡献奖。主持完成国家核电重大专项（课题）、国家仪器专项、863计划、国家科技支撑计划、国家自然科学基金等课题，参加《在役含缺陷压力容器安全评定》、《承压设备合于使用评价》等多项国家/行业标准的编制及研究工作。先后入选国家万人计划领军人才、国家杰出青年基金、上海市领军人才、上海市优秀学科带头人等计划或荣誉。兼任全国锅炉压力容器标准化技术委员会委员、教育部第七届科技委先进制造学部委员、承压系统与安全教育部重点实验室主任、核电装备工程研究中心主任、压力容器副主编等。
陈旭，天津大学讲席教授，博士生导师，教育部“高校青年教师奖”获得者。主要研究方向：结构（包括汽车零部件）完整性和可靠性、材料疲劳，损伤和断裂机制、疲劳损伤检测技术、结构优化设计等。担任国家重点研发计划项目首席科学家，已主持完成科技部863项目、国家自然科学基金重点项目、国家杰出青年基金-海外青年学者合作基金项目等重要国家级项目。以第一成果人获得教育部高等学校自然科学二等奖；2004年获国务院特贴专家。已发表学术论文300余篇，其中被SCI收录240篇，获国家发明专利18项，美国专利1项。现担任中国机械工程学会材料分会常务理事、中国材料研究会疲劳分会理事。担任本领域顶级期刊国际疲劳杂志（Int. J. Fatigue）副主编, 工程材料和结构的疲劳断裂（Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures）杂志，国际结构完整性（Int. J Structural Integrity）杂志编委。2008年获汤姆森路透“Scientific Research Fronts Award“，2014至2022连续入选Elsevier中国高被引学者榜单，2022年入选全球前2%顶尖科学家-终身科学影响力排行榜。
论文引用
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
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