朱繼宏 曹吟鋒 翟星玥 艾德·穆尼 , 張衛(wèi)紅 ,3)

* (西北工業(yè)大學(xué)航宇材料結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)與增材制造裝備技術(shù)國(guó)際聯(lián)合研究中心,西安 710072)? (西北工業(yè)大學(xué)金屬高性能增材制造與創(chuàng)新設(shè)計(jì)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710072)

** (巴黎理工學(xué)院,法國(guó)帕萊索 91120)

引言

近年來(lái),增材制造作為一項(xiàng)新興的技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于功能性部件的快速成形當(dāng)中.增材制造技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的減材制造具有“自下而上”逐層累積的特點(diǎn),是一種從無(wú)到有的制造方式.這為過(guò)去受到傳統(tǒng)制造方式約束而難以成形的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的制造提供了便利,使其在航空航天工業(yè)、能源工業(yè)以及核工業(yè)得到了廣泛應(yīng)用.由于增材制造工藝過(guò)程中存在復(fù)雜的熱力學(xué)過(guò)程,這導(dǎo)致增材制造成形件的力學(xué)性能尤其是疲勞性能與傳統(tǒng)制造工藝成形件存在較大的區(qū)別.更重要的是,增材制造工藝成形過(guò)程中的局部熱歷史可以直接控制,進(jìn)而可以通過(guò)控制增材制造成形件的微觀結(jié)構(gòu)來(lái)獲得特定的宏觀力學(xué)性能.這一特點(diǎn)大大刺激了關(guān)于成形工藝對(duì)增材制造成形件的疲勞性能影響的研究需求[1-3].為此,大量學(xué)者對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了研究.Yadollahi 等[4]研究了打印方向與熱處理工藝對(duì)選擇性激光熔化成形不銹鋼疲勞行為的影響,他們發(fā)現(xiàn)制造過(guò)程中形成的缺陷以及打印方向?qū)ζ谛袨橛酗@著的影響.Greitemeier 等[5]研究了表面粗糙度對(duì)直接金屬激光燒結(jié)和電子束熔化Ti-6Al-4V 疲勞壽命的影響,他們發(fā)現(xiàn)材料的疲勞壽命隨著表面粗糙度的增加而下降.Riemer 等[6]研究了選擇性激光熔化成形316L 不銹鋼的疲勞性能,他們分析了選擇性激光熔化成形316L 不銹鋼的微觀結(jié)構(gòu)并考慮了工藝參數(shù)-微觀結(jié)構(gòu)-疲勞性能之間的關(guān)系.Cao 等[7]對(duì)比了選擇性激光熔化成形316 鋼和軋制316 鋼的疲勞性能,發(fā)現(xiàn)選擇性激光熔化成形316 鋼相較于軋制316 鋼具有更高的疲勞極限.

在上述工作中,大部分學(xué)者對(duì)增材制造成形件疲勞性能的研究主要考慮以下3 個(gè)方面: 缺陷、微觀結(jié)構(gòu)和表面粗糙度.然而對(duì)于本文研究的奧氏體316 不銹鋼,相比于缺陷,材料疲勞裂紋萌生對(duì)微觀結(jié)構(gòu)更加敏感[8].Pegues 等[8]發(fā)現(xiàn)盡管大多數(shù)增材制造成形材料在循環(huán)載荷下的失效主要是由于工藝過(guò)程中引入的缺陷造成,然而對(duì)于激光束粉床熔化奧氏體不銹鋼,大多數(shù)導(dǎo)致材料失效的疲勞微裂紋周圍并未出現(xiàn)材料缺陷.因此他們得出激光束粉床熔化奧氏體不銹鋼的疲勞裂紋萌生相較于缺陷與材料微觀結(jié)構(gòu)特征更相關(guān).Gordon 等[9]研究發(fā)現(xiàn)直接能量沉積304L 不銹鋼工藝過(guò)程中引入的缺陷對(duì)總體疲勞性能的影響可以忽略.基于上述對(duì)增材制造奧氏體不銹鋼疲勞裂紋萌生機(jī)理的研究,本文將材料微觀結(jié)構(gòu)作為主要影響高周疲勞性能的因素而忽略缺陷對(duì)疲勞性能的影響.另外,由于疲勞實(shí)驗(yàn)件會(huì)進(jìn)行表面拋光處理,本文忽略了表面粗糙度帶來(lái)的影響.

除了上述關(guān)于增材制造成形件疲勞性能的實(shí)驗(yàn)研究之外,一些學(xué)者提出了增材制造材料疲勞性能的預(yù)測(cè)模型.Romano 等[10]使用基于缺陷的模型預(yù)測(cè)了增材制造AlSi10Mg 的疲勞極限,他們對(duì)材料的初始缺陷尺寸進(jìn)行建模并通過(guò)基于斷裂力學(xué)的裂紋擴(kuò)展模型預(yù)測(cè)了增材制造AlSi10Mg 的S-N 曲線.Ebrahimi 和Mohammadi[11]根據(jù)所提出的有限元模型對(duì)直接金屬激光燒結(jié)Hybrid 鋼的疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè),通過(guò)使用von-Mises 屈服準(zhǔn)則、雨流法和Miner 理論計(jì)算了直接金屬激光燒結(jié)Hybrid 鋼的循環(huán)壽命.Vayssette等[12]根據(jù)輪廓測(cè)定法和斷層攝影技術(shù)獲得的表面掃描圖像建立了有限元模型,通過(guò)使用非局部基于Crossland 準(zhǔn)則的疲勞指數(shù)預(yù)測(cè)了選擇性激光熔化Ti-6Al-4V 的高周疲勞性能.在上述工作中,提出的疲勞模型都是基于宏觀物理量建立的,其局限性在于不能有效考慮材料微觀結(jié)構(gòu)對(duì)疲勞性能的影響.Przybyla 和McDowell[13-14]提出了一種考慮材料微觀結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)學(xué)有限元模型來(lái)量化微觀結(jié)構(gòu)對(duì)疲勞壽命的影響,他們使用晶體塑性理論研究代表體單元的局部力學(xué)響應(yīng).Robert 等[15]基于多晶有限元模型研究了幾何缺陷對(duì)純銅高周疲勞性能的影響,發(fā)現(xiàn)將晶體塑性理論和介觀高周疲勞準(zhǔn)則結(jié)合可以很好地預(yù)測(cè)缺陷尺寸對(duì)疲勞性能的影響.盡管上述工作考慮了晶粒內(nèi)部位錯(cuò)滑移對(duì)疲勞性能的影響,然而晶界對(duì)疲勞性能的影響這一關(guān)鍵因素在這些模型中仍未能得到體現(xiàn).為此,本文使用彈塑性內(nèi)聚力模型以及晶界介觀高周疲勞準(zhǔn)則考慮晶界對(duì)疲勞性能的影響.同時(shí),使用晶體塑性理論和Papadopoulos疲勞準(zhǔn)則來(lái)研究晶粒內(nèi)部位錯(cuò)滑移對(duì)疲勞性能的影響.因此,本文得以將中位錯(cuò)滑移與晶界對(duì)疲勞性能的影響同時(shí)考慮.

1 計(jì)算模型

1.1 晶體塑性模型

本文使用基于Huang[16]的工作,使用唯象學(xué)晶體塑性材料用戶子程序來(lái)模擬晶粒內(nèi)部的力學(xué)行為.這里采用 (α) 表示一個(gè)滑移系,它對(duì)應(yīng)著一個(gè)滑移面和一個(gè)滑移方向,其中滑移面的法向量為l(a),滑移方向向量為s(α).滑移應(yīng)變率(α)僅取決于分解切應(yīng)力 τ(α)[17]

其中(α)代表參考應(yīng)變率,g(α)代表當(dāng)前滑移系的強(qiáng)度,n代表應(yīng)變率敏感因子.作用于滑移系 α 上的分解切應(yīng)力 τ(α)可以通過(guò)應(yīng)力張量σ 與方向張量m(α)的乘積進(jìn)行計(jì)算,即

當(dāng)前強(qiáng)度g(α)的演化可以通過(guò)滑移硬化模量hαβ進(jìn)行計(jì)算.這里分別是自硬化模量和潛硬化模量.根據(jù)Peirce 等[18]提出的硬化準(zhǔn)則,自硬化模量和潛硬化模量可以通過(guò)所有滑移系上的Taylor 累積切應(yīng)變?chǔ)眠M(jìn)行計(jì)算,即

其中h0和 τ0分別是初始硬化模量和初始屈服應(yīng)力,初始屈服應(yīng)力 τ0等于當(dāng)前強(qiáng)度的初始值g(α)(0) .τs是塑性流動(dòng)初始時(shí)的參考應(yīng)力,q是硬化因子.

1.2 彈塑性內(nèi)聚力模型

本模型同時(shí)考慮了線彈性、塑性流動(dòng)、線性硬化和損傷演化.首先,彈塑性分離位移可以分解為以下兩部分

其中 δe和 δp分別是 δ 的彈性部分和塑性部分.為了建立一致性內(nèi)聚力模型,自由能密度函數(shù)定義為

其中d和H分別是損傷因子和線性硬化模量.是有效塑性應(yīng)變.De是界面初始彈性張量,其可以表示為

其中Kn和Kt分別是法向和切向的剛度,n是界面的單位法向量,I是二階單位張量.損傷因子可以表示為

其中 δd和 δf是材料參數(shù),‖·‖ 代表歐幾里得范數(shù).

結(jié)合式(9),牽引應(yīng)力 σ 可以表示為

此處牽引應(yīng)力 σ 可以進(jìn)一步分解為

其中法向牽引應(yīng)力可以進(jìn)一步表示為

采用以下形式的屈服函數(shù)來(lái)避免兩個(gè)相鄰表面的界面穿透[19]

其中nN和tN分別是N的法向部分和切向部分.關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則可以表示為

1.3 高周疲勞準(zhǔn)則

為了研究選擇性激光熔化成形316 鋼和冷軋成形316 鋼的高周疲勞行為,本文分別對(duì)晶粒內(nèi)部和晶界使用不同的高周疲勞準(zhǔn)則.

針對(duì)晶粒部分,本文采用由Papadopoulos[20]提出的介觀疲勞準(zhǔn)則.該準(zhǔn)則假設(shè)如果給定滑移系的累積塑性滑移不超過(guò)臨界值,則晶粒內(nèi)部將不會(huì)有疲勞裂紋萌生.為此,通過(guò)介觀物理量表示的Papadopoulos 疲勞準(zhǔn)則可以寫為其

中 τs,a為每一個(gè)滑移系中的分解切應(yīng)力幅值,σn為每一個(gè)滑移面的正應(yīng)力,Ns和Np為單個(gè)晶粒中滑移系和滑移面的個(gè)數(shù),Ng為多晶集中晶粒的個(gè)數(shù),fgrain為晶粒的疲勞因子,a和b是材料參數(shù),他們可以根據(jù)完全反向彎曲疲勞極限f-1和完全反向扭轉(zhuǎn)疲勞極限t-1進(jìn)行計(jì)算,本文取f-1為97.0 MPa 和t-1為是多晶集中所有滑移系中分解切應(yīng)力的平均值,〈σn(t)〉 是多晶集中所有滑移面上正應(yīng)力的平均值.

為了研究晶界處的高周疲勞行為,本文使用了一種新的安定性理論的介觀疲勞準(zhǔn)則.該準(zhǔn)則假定如果晶界處的應(yīng)力在介觀上處于彈性安定狀態(tài),則晶界上將不會(huì)發(fā)生疲勞裂紋萌生.該準(zhǔn)則與Dang-Van 疲勞準(zhǔn)則[22]類似,區(qū)別在于該準(zhǔn)則不需要像Dang-Van 疲勞準(zhǔn)則一樣需要宏觀介觀應(yīng)力的相互準(zhǔn)換,因?yàn)樵摐?zhǔn)則可以直接使用內(nèi)聚力模型計(jì)算出的介觀物理量.該準(zhǔn)則為

其中tσa為晶界介觀切應(yīng)力幅值,nσ 為晶界介觀正應(yīng)力,Nb為多晶集中晶界的數(shù)量,fgb為晶界的疲勞因子,a和b是與Papadopoulos 準(zhǔn)則中一樣的材料參數(shù).計(jì)算tσa之前,需要了解晶界處的應(yīng)力狀態(tài).如圖1 所示,晶界上的應(yīng)力可以分為正應(yīng)力和切應(yīng)力,其中切應(yīng)力又可以在平面內(nèi)分解為兩部分.nσ 的方向總是垂直于晶界,但是tσ 的方向會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化.切應(yīng)力的加載路徑如圖1 所示,tσa即加載路徑的最小包絡(luò)圓的半徑,具體算法可以參照文獻(xiàn)[23].

圖1 求解?示意圖Fig.1 Illustration of finding?

2 多晶模型建立與材料參數(shù)確定

2.1 多晶模型建立

本文研究的選擇性激光熔化成形316 鋼和軋制316 鋼的晶粒尺寸分別為10.01 μm 和4.55 μm[7].由于本文采用內(nèi)聚力模型來(lái)模擬晶界處的力學(xué)行為,如果考慮實(shí)際的晶粒形貌將會(huì)給內(nèi)聚力單元的建立帶來(lái)困難.為了方便起見,本工作忽略了晶粒形貌的影響,在晶體塑性仿真中統(tǒng)一將晶粒形貌簡(jiǎn)化為等軸晶.本文采用開源軟件Neper[24]來(lái)生成如圖2所示由等軸晶粒組成的代表體單元,其中Voronoi多面體代表等軸晶粒,零厚度界面代表晶界.本文使用四面體單元(C3D4) 和三維零厚度內(nèi)聚力單元(COH3D6)分別劃分晶粒網(wǎng)格和晶界網(wǎng)格.

圖2 多晶集的微觀結(jié)構(gòu)Fig.2 Microstructure of the polycrystalline aggregate

2.2 材料參數(shù)優(yōu)化流程

本文通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線、微觀力學(xué)模型計(jì)算結(jié)果以及反問(wèn)題優(yōu)化方法相結(jié)合來(lái)確定材料本構(gòu)參數(shù).本文使用信賴域反射算法[25]來(lái)尋找材料參數(shù)使得實(shí)驗(yàn)獲得應(yīng)力應(yīng)變曲線與仿真獲得應(yīng)力應(yīng)變曲線最大程度契合.定義 σi和 εi為實(shí)驗(yàn)獲得的應(yīng)力應(yīng)變曲線中的點(diǎn)集,σ=f(ε,p) 為仿真獲得的應(yīng)力預(yù)測(cè),p為5 個(gè)材料參數(shù),優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型可以表達(dá)為

其中ub和lb為模型參數(shù)的上界和下界.

2.3 晶粒材料參數(shù)

晶粒材料參數(shù)由彈性常數(shù)和晶體塑性本構(gòu)參數(shù)共同組成.本節(jié)使用代表體單元來(lái)模擬拉伸實(shí)驗(yàn)曲線從而標(biāo)定材料參數(shù).

本節(jié)計(jì)算均采用如圖3 所示由50 個(gè)隨機(jī)取向晶粒組成的代表體單元.為了避免過(guò)剛性響應(yīng),本文在每個(gè)晶粒中至少劃分20 個(gè)網(wǎng)格[26].為了考慮晶粒尺寸的區(qū)別,本文根據(jù)文獻(xiàn)[7]中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別選取增材制造316 鋼代表體單元邊長(zhǎng)和軋制316 鋼代表體單元邊長(zhǎng)為37 μm 和17 μm.增材制造316 鋼和軋制316 鋼的彈性常數(shù)統(tǒng)一選取為Ciiii=206 GPa,Ciijj=206 GPa,Cijij=206 GPa[27].對(duì)于面心立方金屬,拉伸實(shí)驗(yàn)已經(jīng)足夠用來(lái)獲得晶體塑性本構(gòu)參數(shù),在當(dāng)前參數(shù)鑒定流程下不再需要其他實(shí)驗(yàn)[28].通過(guò)周期性邊界條件對(duì)代表體單元施加宏觀應(yīng)變,可以很容易計(jì)算出代表體單元的平均應(yīng)力,結(jié)合式(21),可以得到增材制造316 鋼和軋制316鋼晶體塑性本構(gòu)參數(shù)如表1 所示.如圖4 所示,根據(jù)優(yōu)化所得本構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真獲得的應(yīng)力應(yīng)變曲線與實(shí)驗(yàn)曲線契合度很高.

圖3 代表體單元Fig.3 Representative volume element (RVE)

表1 通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)確定的晶粒材料參數(shù)Table 1 Material parameters of the grains obtained by the uniaxial tensile experiments

圖4 單軸拉伸實(shí)驗(yàn)曲線仿真預(yù)測(cè)Fig.4 Prediction of the uniaxial tensile experiments

2.4 晶界材料參數(shù)

本文針對(duì)于晶界共有7 個(gè)材料參數(shù)(Kn,Kt,σy0,H,t,δd和δf) 需要測(cè)定.晶界的剛度可以定義為

其中泊松比μ取為0.3.在本文采用的基于牽引應(yīng)力-分離位移描述的內(nèi)聚力模型中,晶界本構(gòu)厚度t對(duì)牽引應(yīng)力和分離應(yīng)變之間的關(guān)系沒有影響.另外由于內(nèi)聚力單元的剛度很弱,晶界厚度對(duì)多晶體有限元計(jì)算結(jié)果的影響也很弱.如果選取一個(gè)很小的晶界厚度,不但計(jì)算結(jié)果幾乎不受影響,還會(huì)大大減少計(jì)算效率.因此本文選取1 μm 作為晶界的厚度.為了方便起見,本文選取拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線殘余應(yīng)變?yōu)?.2%,對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為初始屈服應(yīng)力σy0.線性硬化模量H通過(guò)應(yīng)變強(qiáng)化階段的斜率來(lái)確定.由于本文僅考慮裂紋初始前的狀態(tài),因此δd和δf控制的損傷演化階段對(duì)結(jié)算結(jié)果沒有影響.綜上所述,彈塑性內(nèi)聚力模型的材料參數(shù)如表2 所示.

表2 晶界材料參數(shù)Table 2 Material parameters of the grain boundaries

3 仿真結(jié)果與討論

本節(jié)將晶體塑性理論、彈塑性內(nèi)聚力模型以及分別針對(duì)于晶粒和晶界的介觀疲勞準(zhǔn)則相結(jié)合以研究增材制造316 鋼和軋制316 鋼的高周疲勞性能.

本節(jié)采用表1 和表2 中的材料參數(shù)進(jìn)行數(shù)值仿真.如圖2 所示,代表體單元由50 個(gè)晶粒和218 個(gè)晶界組成.與前文相同,增材制造316 鋼和軋制316 鋼的代表體單元邊長(zhǎng)分別取37 μm 和17 μm.通過(guò)一般性周期性邊界條件[29]對(duì)代表體單元施加幅值為250 MPa、應(yīng)力比為0 的循環(huán)應(yīng)力載荷.為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間,本節(jié)模擬10 個(gè)循環(huán)周期以使代表體單元在介觀下達(dá)到彈性安定狀態(tài).結(jié)合文中所述兩種介觀疲勞準(zhǔn)則即可解分別求得晶粒和晶界的疲勞因子.對(duì)于增材制造316 鋼,晶粒和晶界疲勞因子fgrain和fgb分別為0.617 和0.306.對(duì)于軋制316 鋼,晶粒和晶界疲勞因子fgrain和fgb分別為0.659 和0.340.顯然,無(wú)論是晶粒疲勞因子和晶界疲勞因子,軋制316 鋼的計(jì)算結(jié)果皆大于增材制造316 鋼.這說(shuō)明增材制造316 鋼相較于軋制316 鋼具有更好的高周疲勞性能,這與文獻(xiàn)[7]中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符.

接下來(lái)本文將根據(jù)圖5 所示增材制造316 鋼和軋制316 鋼晶粒內(nèi)部的Mises 等效應(yīng)力、圖6 所示增材制造316 鋼和軋制316 鋼晶粒內(nèi)部的累積剪切應(yīng)變、圖7 所示的增材制造316 鋼晶界處的等效應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變以及圖8 所示的軋制316 鋼晶界處的等效應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變來(lái)解釋上述仿真結(jié)果.首先對(duì)于晶粒部分,增材制造316 鋼晶粒中的最大正應(yīng)力以及切應(yīng)力幅值的均值為95.88 MPa 和59.87 MPa,相較于軋制316 鋼對(duì)應(yīng)值98.96 MPa 和63.96 MPa 更小.結(jié)合式(18),顯然增材制造316 鋼的晶粒疲勞因子會(huì)小于軋制316 鋼的晶粒疲勞因子.值得一提的是,盡管增材制造316 鋼的最大Mises 等效應(yīng)力543.3 MPa 大于軋制316 鋼的最大Mises 等效應(yīng)力381.5 MPa(圖5 所示),增材制造316 鋼中Papadopoulos 疲勞準(zhǔn)則涉及的介觀最大正應(yīng)力和切應(yīng)力幅值卻小于軋制316 鋼所對(duì)應(yīng)的值.另外,增材制造316 鋼中累積剪切應(yīng)變的最大值3.121 × 10-3也小于軋制316 鋼中累積剪切應(yīng)變的最大值7.660 × 10-3.一般來(lái)說(shuō),大的應(yīng)力更容易產(chǎn)生位錯(cuò)[30].而位于駐留滑移帶和基底界面處的位錯(cuò)是疲勞裂紋萌生的主要成因[7].因此材料中一般應(yīng)力越小疲勞性能越好.然而,盡管Papadopoulos 疲勞準(zhǔn)則中所涉及的物理量是與應(yīng)力相關(guān)的,具有更大Mises等效應(yīng)力的增材制造316 鋼與軋制316 鋼相比卻擁有更小的晶粒疲勞因子.這是由于基于彈性安定理論的Papadopoulos 疲勞準(zhǔn)則可以有效考慮晶粒內(nèi)部的局部塑性滑移.

圖5 晶粒內(nèi)部的Mises 等效應(yīng)力Fig.5 von Mises equivalent stress in the grains

圖6 晶粒內(nèi)部的累積剪切應(yīng)變Fig.6 Total cumulative shear strain in the grains

圖7 增材制造316 鋼晶界Fig.7 Grain boundary of AM 316 steel

圖8 軋制316 鋼晶界Fig.8 Grain boundary of rolled 316 steel

接下來(lái)針對(duì)于晶界部分,盡管增材制造316 鋼晶界處的最大等效應(yīng)力值445.7MPa 大于軋制316 鋼晶界中對(duì)應(yīng)值288.5 MPa,增材制造316 鋼晶界處的有效塑性應(yīng)變的最大值6.318 × 10-4卻小于軋制316 鋼晶界中對(duì)應(yīng)值3.470 × 10-3.事實(shí)上,這是由于增材制造316 鋼晶界的屈服應(yīng)力445 MPa 大于軋制316 鋼晶界的屈服應(yīng)力285 MPa 造成的.因?yàn)榻橛^尺度上的局部塑性會(huì)造成疲勞裂紋初始,所以晶界處具有較小等效塑性應(yīng)變的增材制造316 鋼有更好的高周疲勞性能.同樣地,增材制造316 鋼晶界處的介觀切應(yīng)力幅值和最大正應(yīng)力的均值為29.65 MPa 和99.94 MPa,相較于軋制316 鋼對(duì)應(yīng)值32.94 MPa 和100.75 MPa 更小,這也證明了本文針對(duì)于晶界所使用的基于彈性安定理論的介觀疲勞準(zhǔn)則可以有效地考慮晶界處局部塑性的影響.

根據(jù)本文提出的微觀力學(xué)模型得到的仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[7]中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符.針對(duì)于晶界的介觀疲勞準(zhǔn)則可以有效地反映出局部塑性對(duì)高周疲勞性能的影響.結(jié)合晶體塑性理論和Papadopoulos 疲勞準(zhǔn)則可以考慮位錯(cuò)滑移對(duì)晶粒高周疲勞性能的影響.本文建立的微觀結(jié)構(gòu)-疲勞性能之間關(guān)系可以日后應(yīng)用于增材制造316 鋼的疲勞性能優(yōu)化.

4 結(jié)論

本文通過(guò)微觀力學(xué)方法研究了增材制造316 鋼和軋制316 鋼的高周疲勞性能.為了考慮發(fā)生于晶粒與晶界中局部塑性的影響,分別使用晶體塑性理論與彈塑性內(nèi)聚力模型來(lái)模擬晶粒和晶界的力學(xué)行為.為了同時(shí)研究滑移帶和晶界對(duì)疲勞裂紋初始的影響,分別使用了Papadopoulos 疲勞準(zhǔn)則和一種基于安定性理論的介觀高周疲勞準(zhǔn)則.

仿真結(jié)果顯示選擇性激光熔化316 鋼相較于軋制316 鋼具有更好的高周疲勞性能,這與文獻(xiàn)中的疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合.同時(shí)仿真結(jié)果也證明了所使用的晶界高周疲勞準(zhǔn)則可以有效反映局部塑性對(duì)高周疲勞性能的影響.本文建立的微觀結(jié)構(gòu)-疲勞性能之間關(guān)系可以日后應(yīng)用于選擇性激光熔化316 鋼的疲勞性能優(yōu)化.