8、无缺口疲劳
AM工艺相关属性对AM合金的高周疲劳（HCF）性能尤其不利 。 低HCF强度通常归因于高表面粗糙度；表面的微凸体作为疲劳裂纹萌生点 。 表面粗糙度和孔隙度在控制AM零件的整体疲劳寿命方面起着主导作用 。 虽然残余应力也可能影响接近阈值的FCG但其影响不太明显 。 材料的微观结构施加的主导和间接影响相对较小 。 然而 ， 它会影响疲劳裂纹萌生的潜伏期 ， 这对HCF寿命特别重要 。
8.1. Ti6Al4V
在AB条件下 ， LB-PBF Ti6Al4V的HCF强度明显低于锻造合金（500–650 MPa） 。 改善表面光洁度可显著提高合金的HCF强度（200–350 MPa） 。 Gong等人报告 ， 通过提高密度 ， LB-PBF和EB-PBF Ti6Al4V分别从45 MPa提高到180 MPa和50 MPa提高到270 MPa 。 即使零件受到SR ， 也未观察到HCF行为的明显改善 ， 这表明残余应力在确定HCF强度方面不起关键作用 。
热等静压和喷丸处理分别通过闭合体积和表面附近的缺陷 ， 显著提高了HCF强度 。 然而 ， 如果高表面粗糙度保持不变 ， 则HIP的影响有限 。 通过喷丸处理 ， 表面粗糙度降低 ， 疲劳强度高达575至610 MPa ， 与锻造合金的HCF强度相当 。 喷丸处理的优点是在表面附近引入残余压应力 ， 降低表面粗糙度敏感性 。
在AB状态下 ， 在具有最高密度的机加工和抛光试样上获得的HCF强度仍然低于锻造合金 ， 突出了微观结构的作用 。 AN通过修改微观结构来提高固有缺陷容限来提高疲劳性能 ， 这与接近阈值的FCG率直接相关 。
Kumar和Ramamurty对四种不同的LB-PBF Ti6Al4V不同的层厚和扫描旋转组合制备的缺陷的尺寸、形状和分布及其对HCF行为的影响进行了详细的分析 ， 以研究缺陷特征和微观结构对HCF行为的影响 。 在AB、热处理和喷丸(SP)条件下进行了RBF试验 。 X射线断层扫描被用来表征合金中缺陷的大小、形状和分布 。 他们的结果显示了使用不同工艺参数组合的合金的HCF强度之间的显著差异(图15) 。
图15 （a）基于El-Haddad公式的北川高桥图 ， 适用于在AB和热处理条件下以t-а、30μm-90°和60μm-67°生产的试样 。 临界缺陷尺寸ac随应力幅值σa的变化与缺陷尺寸一起绘制 。 （b）在t-а、30μm-90°和60μm-67°下生产的试样中缺陷尺寸的累积概率分布 。
缺陷尺寸和分布的工艺相关属性以及表面粗糙度与微观结构相关的HCF强度?Kth之间的关系对于AM零件在承载应用中的广泛采用至关重要 ， 因为它可以用于预测疲劳寿命 。
8.2. 钢
关于使用EB-PBF和DED工艺生产的钢的HCF强度的可用文献有限 ， 迄今为止报告的大部分工作都是关于使用LB-PBF工艺制造的合金 。 当通过AM生产的316L和304L等奥氏体不锈钢的LOF缺陷较大时 ， 其HCF强度可低至100 MPa 。 降低孔隙率和表面粗糙度将HCF强度提高到200至250 MPa之间 ， 这与传统制造的晶粒尺寸相似的钢的HCF强度相似 。 Wood等人观察到SR对HCF强度几乎没有影响 。 然而 ， 与Ti6Al4V一样 ， 喷丸处理可显著提高HCF强度（20%-40%） 。 通常 ， 304L的HCF强度高于316L 。
Kumar等人比较了采用LB-PBF和BJP工艺制备的316L合金的疲劳抗力 ， 发现LB-PBF合金的HCF强度仅为约100 MPa ， 而BJP合金的HCF强度为约250 MPa 。 值得注意的是 ， 尽管与LB-PBF合金的- 2.3%孔隙率相比 ， BJP合金的孔隙率(介于3.7 - 5.6%之间)明显更大 ， 但与常规制造的合金相比 ， 其HCF强度显著更高 。 观察到在内应力集中点（如缺陷角）形核的疲劳裂纹在微观结构特征（如大角度晶界、退火孪晶界和δ-铁素体相）处停止（见图16） 。 对于LB-PBF试样 ， 由凝固胞和柱状晶粒组成的更精细的微观结构意味着起始的疲劳裂纹（尺寸为300至400μm的LOF缺陷）不受阻碍地生长 。
图16 BJP 316L试样的显微照片显示 ， 在270 MPa的应力幅度σa下 ， 疲劳试样的标距长度中观察到从裂纹的所有角落开始的小疲劳裂纹 ， 在107个循环中存活 。 插图中所示的EDS图表明 ， 其中一个角裂纹被基体中的δ–铁素体阻止 。
Nezhadfar等人测量了加工和抛光的17-4 PH钢试样的HCF强度～ 400 MPa ， 不考虑老化条件 。 如果打印后表面状况保持不变（即未进行加工和抛光） ， 则HCF强度随老化温度的升高而增加 ， 即H900为200 MPa ， H1025和H1150处理为300 MPa 。 这表明 ， 当存在缺陷时 ， 过度老化更有利 。
8.3. 镍基高温合金
迄今为止 ， 在该合金系统上发表的大多数HCF研究都集中在铬镍铁合金718上 ， 这也是用AM探索的最流行的镍基高温合金变体 。 AB状态下的低HCF强度为150–200 MPa（AXF ， R=0.1） ， 与锻造对应物的450 MPa相比 ， 通常归因于高表面粗糙度和近表面缺陷 。
推荐阅读
- 有没有可能，氧气是一种慢性毒药，需要70年左右时间杀死我们？
- RIP（RNA结合蛋白免疫沉淀）实验
- 北美挖出3万年前史前生物尸体，长1.4米，背后却昭示着可怕的后果
- 【学术前沿】刘颖课题组发现剪接因子PRP-19调控线粒体应激反应
- 尼安德特人的复仇，和现代人祖先繁衍后代，给人类埋下灭绝隐患
- 深度科学：在费米悖论的基础上，为什么没有别的文明发现了地球？
- 盘点 | 近期干细胞研究领域重要研究成果一览！
- 同为哺乳动物，为什么只有人类全年365天都是发情期？
- 人可以活到1000岁吗？科学解释来了，一次性告诉真相！