IJP：增材制造316L不銹鋼循環(huán)塑性和疲勞行為的實驗研究與數(shù)值模擬

與傳統(tǒng)制造方法相比3D打印(AM)有幾個優(yōu)勢，更大的設(shè)計靈活性和減少生產(chǎn)時間。這些優(yōu)勢導(dǎo)致了AM 技術(shù)逐漸取代傳統(tǒng)的人造金屬。特別是由粉末床聚變-激光束(PBF-LB)制造的316L不銹鋼在核電等關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。因此，預(yù)測 AM 316L的循環(huán)塑性和疲勞行為對于保證這些應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)完整性至關(guān)重要。來自KTH Royal Institute of Technology的Subasic等基于增材制造316L不銹鋼循環(huán)塑性分析本構(gòu)模型的迫切需要，在室溫和300 °C 條件下，根據(jù)不同構(gòu)建方向的循環(huán)滯回線，對其各向異性特性進行了實驗研究。提出了一個綜合的本構(gòu)模型，將 Armstrong-Frederick非線性運動硬化、Voce非線性各向同性硬化和Hill 各向異性屈服準(zhǔn)則結(jié)合在一個三維返回映射算法中。該模型對0 ° 和90 ° 方向的標(biāo)本進行了校準(zhǔn)，并用45 ° 方向的標(biāo)本進行了驗證。一組單一的硬化參數(shù)成功地代表了室溫下各種取向的彈塑性響應(yīng)。在高溫下觀察到一致的降低硬化趨勢，而45 ° 試樣取向始終表現(xiàn)出最高程度的應(yīng)變硬化。通過計算穩(wěn)定滯環(huán)的能量耗散，結(jié)合疲勞試驗，提出了基于能量的疲勞壽命預(yù)測模型，驗證了該模型的適用性。

圖1. 在室溫下和300 °C下進行拉伸試驗，試樣在0 °C、45 °C 和90 °C 方向上進行拉伸試驗

在圖1中，工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線描述了在 RT 和300 °C 下在0 ° 、45 ° 和90 ° 方向進行的單軸拉伸試驗的結(jié)果。值得注意的是，在這兩種溫度下，45度樣本的強度最高，其次是水平方向的90度樣本，而垂直方向的0度樣本的強度最低。這種趨勢可以歸因于構(gòu)建層相對于加載方向的垂直取向，以及沿構(gòu)建方向拉長顆粒的材料擁有屬性的微觀結(jié)構(gòu)。如圖1所示，垂直0 ° 試樣沿加載方向顯示出較大的細(xì)長顆粒。這有利于位錯的運動，使垂直樣品變?nèi)?。相比之下，水?0度試樣和45度試樣的晶粒都明顯較細(xì)，可以阻礙位錯運動，從而導(dǎo)致更高的應(yīng)變硬化。

圖2. 實驗和模型在 RT 方向(a)0 °和(b)90 °和300 °C方向(c)0 °和(d)90 °的循環(huán)彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變曲線

在圖2中呈現(xiàn)了實驗遲滯回線與采用希爾各向異性屈服準(zhǔn)則的彈塑性模型模擬的結(jié)果。AM 金屬在300 °C 時表現(xiàn)出更明顯的各向異性，導(dǎo)致不同方向的隨動硬化參數(shù)不同。將300 °C 循環(huán)試驗與室溫試驗進行比較，發(fā)現(xiàn)前者的硬化行為較低。具體而言，在圖2b 和 d 中，90° 的樣本顯示出比圖2a 和 c 中所示的0° 樣本更明顯的硬化行為。

圖3. AM 316L在0 °方向的疲勞壽命和常規(guī)304L在300 °C的疲勞壽命

圖4. AM 316L在0 °方向和常規(guī)304L方向疲勞試驗的單周耗能

圖4進一步闡明了AM 316L 和常規(guī)304L 疲勞壽命的區(qū)別，其中使用計算塑性算法計算了每個周期的能量密度耗散。對于高能耗區(qū)的AM 316L，能量耗散曲線在低能耗區(qū)有相似之處，并且與失效周期略有延長。通過分析每次疲勞試驗的穩(wěn)定滯回回路，確定每個循環(huán)的能量消耗。300 °C下0.4%循環(huán)試驗得出的硬化參數(shù)用于所有疲勞試驗，應(yīng)變幅度從0.2%到0.5% 不等。

最后得到以下結(jié)論：在室溫和300 °C條件下，觀察到各向異性對AM 316L不銹鋼的剛度、屈服強度和強度的顯著影響，45 °C試樣的各向異性值比0 °C試樣高8-10% 。

與RT相比，300 °C時的最大峰值應(yīng)力顯著降低。然而，在兩種溫度下，屈曲前的最終應(yīng)變振幅是相似的。

實驗結(jié)果揭示了不同方向試樣循環(huán)硬化行為的顯著差異。45 °的試樣方向始終表現(xiàn)出最高程度的應(yīng)變硬化。

提出了一種基于能量的疲勞壽命預(yù)測模型，用于預(yù)測 AM 316L不銹鋼在低周疲勞狀態(tài)下的疲勞壽命。

相關(guān)研究成果以“Experimental investigation and numerical modelling of the cyclic plasticity and fatigue behavior of additively manufactured 316 L stainless steel”為題發(fā)表在International Journal of Plasticity上（VOL. 176, May 2024, 103966）論文第一作者和通訊作者是M.Subasic。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2024.103966