黃偉波，趙曉宇，魯文佳，朱麗莎，張義民

(肇慶學(xué)院,肇慶,526061)

0 序言

激光金屬沉積(laser metal deposition,LMD)是激光增材制造的一種，采用同軸送粉的方式，其原理類似激光熔覆[1]，激光金屬沉積具有較高的成形效率以及較低的能量消耗等優(yōu)點(diǎn)[2-4]，已在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[5-7].疲勞斷裂失效占到機(jī)械零部件失效的90%[8]，因此，對(duì)激光金屬沉積成形金屬材料的疲勞性能和疲勞斷裂機(jī)理進(jìn)行研究尤為重要.

目前，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)激光金屬沉積成形的不同金屬材料的疲勞性能進(jìn)行了研究.Liu 等人[9]發(fā)現(xiàn)激光金屬沉積成形的300M 鋼的疲勞裂紋瞬斷區(qū)存在準(zhǔn)解理和少量韌窩，經(jīng)過熱處理后，該區(qū)域內(nèi)存在大量的等軸韌窩；Ran 等人[10]發(fā)現(xiàn)激光金屬沉積成形的AerMet100 鋼經(jīng)過熱處理后，原有的枝狀?yuàn)W氏體晶粒變?yōu)榈容S狀，大角度奧氏體晶界數(shù)量大幅減少，與未經(jīng)熱處理的試樣相比，熱處理后試樣的抗疲勞裂紋擴(kuò)展性能明顯提高，斷裂方式為穿晶斷裂；Nezhadfar 等人[11]發(fā)現(xiàn)激光金屬沉積成形的Inconel 718 在低周循環(huán)狀態(tài)下高溫疲勞性能略低于室溫疲勞性能，而在高周循環(huán)狀態(tài)下高溫疲勞壽命與室溫疲勞壽命相近；Lu 等人[12]發(fā)現(xiàn)激光金屬沉積成形的TC11 合金的疲勞裂紋擴(kuò)展速率在熱影響區(qū)處先減慢，經(jīng)過熱影響區(qū)后立即加快然后再次減慢，造成這種現(xiàn)象的原因是熱影響區(qū)及其相鄰區(qū)域的斷裂特征不同，以及相鄰的熱影響區(qū)之間的微觀結(jié)構(gòu)變化；Liu 等人[13]發(fā)現(xiàn)激光金屬沉積成形的TC11 合金的疲勞裂紋產(chǎn)生于近表面的孔隙處，孔隙的大小及其與表面的距離是影響試件疲勞壽命的2 個(gè)重要因素，即孔隙越大或越靠近表面，疲勞壽命越短，TC11 合金柱狀晶界是循環(huán)應(yīng)力作用下的薄弱環(huán)節(jié)，形成的裂紋優(yōu)先沿晶界擴(kuò)展；Li等人[14]發(fā)現(xiàn)激光金屬沉積成形的TC18 合金在發(fā)生低周疲勞斷裂后，斷裂表面上檢測(cè)到多個(gè)裂紋起始點(diǎn)，并且次要裂紋萌生部位的斷裂形態(tài)不同于主要裂紋萌生部位的斷裂形態(tài).

304 奧氏體不銹鋼是一種應(yīng)用極其廣泛的不銹鋼材料，因其具有優(yōu)異的耐蝕性、力學(xué)性能和較高的成本效益，被廣泛應(yīng)用于石油、核工業(yè)以及化工等多個(gè)領(lǐng)域[15].目前，部分專家學(xué)者對(duì)選區(qū)激光熔化(selective laser melting,SLM)成形304 奧氏體不銹鋼的疲勞性能進(jìn)行了研究.Zhang 等人[16]研究了成形方向和掃描速度對(duì)選區(qū)激光熔化成形304L 奧氏體不銹鋼疲勞性能的綜合影響；Zhang 等人[17]深入研究了選區(qū)激光熔化成形奧氏體不銹鋼的微觀組織、疲勞破壞過程和疲勞破壞機(jī)制.但是，對(duì)激光金屬沉積成形304 奧氏體不銹鋼的疲勞斷裂機(jī)理的研究還不夠充分.文中以激光金屬沉積成形的304 奧氏體不銹鋼為例，研究其在對(duì)稱循環(huán)交變應(yīng)力載荷作用下的疲勞斷裂機(jī)理.

1 疲勞試驗(yàn)

利用激光金屬沉積成形304 奧氏體不銹鋼試樣，激光金屬沉積的主要參數(shù)見表1.由文獻(xiàn)[18-19]可知，增材制造技術(shù)制備的材料具有明顯的各向異性，而水平方向成形的試樣具有較高的力學(xué)性能，試驗(yàn)中的疲勞試樣根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 3075—82《金屬軸向疲勞實(shí)驗(yàn)方法》設(shè)計(jì)，如圖1 所示.

圖1 疲勞試樣尺寸Fig.1 Dimensions of fatigue specimen

表1 激光金屬沉淀主要參數(shù)Table 1 Main parameters of laser metal deposition

將激光金屬沉積成形的試樣進(jìn)行切削、拋光處理，得到光滑標(biāo)準(zhǔn)試樣，由靜力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果可知，激光金屬沉積技術(shù)制備的304 奧氏體不銹鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為609 和273 MPa[20].疲勞試驗(yàn)的應(yīng)力比R為-1，試驗(yàn)頻率為10 Hz，在6 個(gè)不同的應(yīng)力幅作用下進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，除了在幅值為250 MPa 的循環(huán)交變載荷作用下進(jìn)行3 次試驗(yàn)，以及在幅值為280 MPa 的循環(huán)交變載荷作用下進(jìn)行6 次試驗(yàn)外，其它幅值的對(duì)稱循環(huán)交變載荷作用下均進(jìn)行10 次試驗(yàn)，疲勞試驗(yàn)的最大加載次數(shù)為1×106次，疲勞壽命見表2.表2 中成形材料的疲勞壽命具有明顯的離散性，并且應(yīng)力幅越大，離散性越小.

表2 各循環(huán)交變載荷幅值對(duì)應(yīng)的平均疲勞壽命Table 2 Mean fatigue life under different cyclic alternating load amplitudes

2 S-N 曲線

應(yīng)力-壽命(S-N)曲線可以有效地分析疲勞性能，根據(jù)Basquin 方程繪制S-N曲線，方程式為

式中：S為應(yīng)力幅，單位為MPa；Nf為疲勞壽命，單位為周次；m和C為材料常數(shù).將指數(shù)方程轉(zhuǎn)化為線性方程，以便求出材料常數(shù).變換后的線性方程為

應(yīng)力幅為280 MPa 時(shí)，最大應(yīng)力已經(jīng)超過了成形材料的屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致試樣在發(fā)生斷裂的同時(shí)產(chǎn)生較大的塑性變形.采用最小二乘法對(duì)其余應(yīng)力幅下的平均疲勞壽命數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，如圖2 所示.擬合直線的斜率m和截距l(xiāng)gC分別為69.85和174.21.擬合度R2為0.971 1，接近1，說明直線具有較好的擬合精度.

將擬合得到的材料常數(shù)代入式(1)，繪制激光金屬沉積成形304 奧氏體不銹鋼的S-N曲線，如圖3 所示.由S-N曲線可知，1×106次循環(huán)加載對(duì)應(yīng)的疲勞強(qiáng)度約為255 MPa，激光金屬沉積成形304奧氏體不銹鋼具有較小的晶粒尺寸，晶粒尺寸越小說明單位體積內(nèi)晶界數(shù)量越多，大量的晶界阻礙疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展，延長(zhǎng)了試樣的疲勞壽命[21].

圖3 激光金屬沉積制備的304 奧氏體不銹鋼的S-N 曲線Fig.3 S-N curve of 304 austenitic stainless steel prepared by laser metal deposition

3 激光金屬沉積成形304 奧氏體不銹鋼的疲勞斷裂機(jī)理

3.1 疲勞斷裂試樣外貌

對(duì)比不同應(yīng)力幅作用下的斷口可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力幅越大，疲勞斷口越粗糙，造成這種現(xiàn)象的原因是在較低的應(yīng)力幅作用下，試樣內(nèi)部存在較少的位錯(cuò)滑移以及斷口間更多次的摩擦.

不同應(yīng)力幅作用下的斷口側(cè)面形貌如圖4 所示，圖4a 應(yīng)力幅為260 MPa 時(shí)斷裂試樣的表面較為光滑并且無表面裂紋產(chǎn)生，圖4b～ 4e 中其它應(yīng)力幅作用下斷裂試樣的表面隨機(jī)分布著表面裂紋，圖4d,4f 分別為圖4c,4e 中虛線方框的放大圖.在應(yīng)力幅為270,275 MPa 時(shí)，除試樣表面出現(xiàn)裂紋外，還出現(xiàn)了隨機(jī)分布的孔洞，這是由于在較高的應(yīng)力幅作用下試樣具有較低的疲勞壽命，表面上的凹坑在交變載荷的作用下被拉長(zhǎng)、變大，但是沒有足夠的時(shí)間形成裂紋.由此可知，在較高的應(yīng)力幅作用下，疲勞斷裂的發(fā)生是多個(gè)裂紋競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果，試樣的表面或者次表面有多條裂紋或同時(shí)或先后萌生和擴(kuò)展，而疲勞斷裂是由具有最大擴(kuò)展速度的裂紋引起的.

圖4 不同應(yīng)力幅作用下的斷口側(cè)面形貌Fig.4 Fracture side morphology under different stress amplitudes.(a) 260 MPa;(b) 265 MPa;(c) 270 MPa;(d) enlarged view of the box area in Fig.4c;(e) 275 MPa;(f) enlarged view of the box area in Fig.4e

3.2 疲勞斷口微觀形貌

3.2.1 疲勞裂紋萌生區(qū)

激光金屬沉積成形304 奧氏體不銹鋼試樣在應(yīng)力幅為260,265,275 MPa 作用下疲勞裂紋萌生區(qū)的形貌如圖5～ 圖7 所示.應(yīng)力幅為260 MPa 時(shí)疲勞裂紋萌生區(qū)由于受到斷口的不斷摩擦，比周圍斷裂區(qū)域要更加平坦，嚴(yán)重的應(yīng)力集中使疲勞裂紋在試樣表面的微孔處萌生.

圖5 應(yīng)力幅為260 MPa 時(shí)的疲勞裂紋萌生區(qū)Fig.5 Fatigue crack initiation zones under stress amplitude of 260 MPa

應(yīng)力幅為265 MPa 時(shí) (圖6) 與圖5 中的結(jié)果類似，疲勞裂紋萌生于試件次表面的孔隙，并且具有平坦的特征，在該應(yīng)力幅作用下，試樣表面發(fā)生了局部塑性變形，可以觀察到明顯的駐留滑移帶，盡管如此，疲勞裂紋依然在試樣的材料缺陷處萌生.

圖6 應(yīng)力幅為265 MPa 時(shí)的疲勞裂紋萌生區(qū)Fig.6 Fatigue crack initiation zones under stress amplitude of 265 MPa

應(yīng)力幅為275 MPa 時(shí) (圖7)，由于循環(huán)應(yīng)力的極值較大，與材料的疲勞強(qiáng)度相近，因此在該應(yīng)力幅作用下，試樣具有更為復(fù)雜的疲勞裂紋萌生機(jī)理.圖7a 中，黑色的氧化物夾雜位于試樣的次表面處，氧化物夾雜的存在破壞了材料的連續(xù)性.在循環(huán)交變載荷的作用下，氧化物夾雜從基體中剝離，使得疲勞裂紋在基體與氧化物夾雜界面處萌生.圖7b 中，試樣的次表面處存在明顯的局部塑性變形，并存在從表面向內(nèi)部延伸的滑移帶.晶界具有阻礙位錯(cuò)滑移的作用，從而導(dǎo)致局部塑性變形，隨著循環(huán)次數(shù)的不斷增加，晶界處的應(yīng)力集中更加嚴(yán)重，局部塑性變形更加明顯，導(dǎo)致疲勞裂紋在晶界處萌生.

圖7 應(yīng)力幅為275 MPa 時(shí)的疲勞裂紋萌生區(qū)Fig.7 Fatigue crack initiation zones under stress amplitude of 275 MPa.(a) oxide inclusion;(b) local plastic deformation

由以上結(jié)果可知，較大的應(yīng)力幅導(dǎo)致較多的疲勞裂紋萌生區(qū)，在較低的應(yīng)力幅作用下(如260 MPa)，由于分切應(yīng)力較小，位錯(cuò)滑移只發(fā)生在較少的晶粒內(nèi)部，因此在試樣的表面并沒有觀察到明顯的局部塑性變形.而位于次表面上的材料缺陷如孔洞、夾雜等，由于嚴(yán)重的應(yīng)力集中而發(fā)展成為疲勞裂紋萌生區(qū)，在中等幅值的循環(huán)交變載荷作用下，如幅值為265 MPa 的循環(huán)交變載荷，雖然產(chǎn)生足夠大的分切應(yīng)力，使駐留滑移帶在試樣的表面形成，但是次表面位置的材料缺陷仍然是疲勞裂紋萌生的優(yōu)先區(qū)域.在高幅值的循環(huán)交變載荷作用下，如幅值為275 MPa 的循環(huán)交變載荷，疲勞裂紋在試樣次表面缺陷處萌生的的同時(shí)，也可能會(huì)在較大的局部塑性變形處萌生.由于足夠大的分切應(yīng)力使得在試樣表面產(chǎn)生的駐留滑移帶向內(nèi)部滑移，因?yàn)榫Ы鐚?duì)滑移帶具有阻礙作用，所以在次表面上產(chǎn)生局部塑性變形，塑性變形的不斷積累使得晶界破裂，從而導(dǎo)致疲勞裂紋萌生.

綜上所述，對(duì)于激光金屬沉積制備的304 奧氏體不銹鋼光滑試樣，材料缺陷如氧化物夾雜和孔洞是導(dǎo)致疲勞裂紋萌生的主要原因，而在較大的應(yīng)力幅(如275 MPa)作用下，較大的局部塑性變形也是導(dǎo)致疲勞裂紋萌生原因之一.而傳統(tǒng)鍛造工藝制備材料的疲勞裂紋多在晶界或駐留滑移帶處萌生[22-23].

3.2.2 疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)

當(dāng)疲勞裂紋萌生之后，隨著循環(huán)加載次數(shù)的增加，疲勞裂紋從微裂紋發(fā)展成小裂紋，疲勞進(jìn)入穩(wěn)定擴(kuò)展階段，此區(qū)域即為疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū).激光金屬沉積成形304 奧氏體不銹鋼在不同應(yīng)力幅作用下的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌分別如圖8 和圖9 所示.圖8a 由于在275 MPa 應(yīng)力幅作用下試樣存在多個(gè)疲勞裂紋萌生區(qū)，因此疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)更加粗糙.從圖8b 中可以清晰地看到排列整齊的輪胎壓痕.通常認(rèn)為，輪胎壓痕是在疲勞裂紋閉合過程中，斷口表面上的顆?；蛲蛊鹋c斷口表面相撞而留下的痕跡，輪胎壓痕并不是疲勞斷口的基本形貌特征，但是卻可以作為判定斷口是否為疲勞斷口的判據(jù)，如果在疲勞斷口上發(fā)現(xiàn)輪胎壓痕，就可以判定該斷口為高應(yīng)力作用下產(chǎn)生的疲勞斷口.從圖8c 中可以清楚地發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)較為粗糙，并且疲勞條帶清晰可見，這是由于多條滑移帶相交導(dǎo)致疲勞條帶不在同一平面上分布.265，260 MPa 應(yīng)力幅作用下產(chǎn)生的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌如圖9 所示.圖9a 中，265 MPa 應(yīng)力幅作用下的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)內(nèi)依然可以觀察到清晰的疲勞條帶.圖9b 中，260 MPa 應(yīng)力幅作用下的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)內(nèi)無法觀察到清晰的疲勞條帶，這是由于較小的應(yīng)力幅導(dǎo)致疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)內(nèi)，產(chǎn)生較小塑性變形，而在較高的應(yīng)力幅作用下產(chǎn)生更寬、更清晰的疲勞條帶.

圖8 275 MPa 應(yīng)力幅作用下的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)Fig.8 Fatigue crack growth zones under stress amplitude of 275 MPa.(a) microtopography;(b) enlarged view of microtopography in dotted box in A;(c) enlarged view of microtopography in solid box in B

圖9 不同應(yīng)力幅作用下的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)Fig.9 Fatigue crack growth zones under different stress amplitudes.(a) 265 MPa;(b) 260 MPa

通過對(duì)不同應(yīng)力幅作用下疲勞斷口形貌的觀察，發(fā)現(xiàn)在較高應(yīng)力幅作用下的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)內(nèi)存在一定數(shù)量的二次裂紋，如圖10 所示.從圖中可以看到，二次裂紋與疲勞條帶平行，但是垂直于疲勞裂紋擴(kuò)展的方向.比較不同應(yīng)力幅作用下二次裂紋的數(shù)量，與265 MPa 應(yīng)力幅相比，275 MPa 應(yīng)力幅作用下的二次裂紋數(shù)量更多.疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)內(nèi)的二次裂紋大多發(fā)生在兩條疲勞條帶的交界處.相鄰兩條疲勞條帶由于存在塑性變形的差異，導(dǎo)致2 條疲勞條帶的交界處產(chǎn)生較嚴(yán)重的應(yīng)力集中，應(yīng)力釋放會(huì)導(dǎo)致二次裂紋的產(chǎn)生.由于在260 MPa 應(yīng)力幅作用下產(chǎn)生的局部塑性變形較小，沒有產(chǎn)生足夠大的應(yīng)力集中，因此沒有觀察到二次裂紋.

圖10 不同應(yīng)力幅作用下的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的二次裂紋Fig.10 Secondary cracks in fatigue crack growth zone under different stress amplitudes.(a) 265 MPa;(b) 275 MPa

4 結(jié)論

(1)繪制了激光金屬沉積成形304 奧氏體不銹鋼的S-N曲線，根據(jù)S-N曲線估算循環(huán)次數(shù)為1×106次時(shí)對(duì)應(yīng)的材料疲勞強(qiáng)度約為255 MPa.

(2)疲勞斷口表面隨著應(yīng)力幅的增大而變得粗糙.在較高的應(yīng)力幅作用下，斷裂試樣表面出現(xiàn)了一定數(shù)量的細(xì)小裂紋.而在幅值為260 MPa 的循環(huán)交變載荷作用下，斷裂試樣表面并無細(xì)小裂紋出現(xiàn).

(3)通過對(duì)疲勞裂紋萌生區(qū)微觀形貌的觀察，發(fā)現(xiàn)光滑試樣次表面的材料缺陷如孔洞、氧化物夾雜是導(dǎo)致疲勞裂紋萌生的主要原因，但是在較高的應(yīng)力幅作用下，疲勞裂紋也會(huì)在光滑試樣次表面的局部塑性變形區(qū)域萌生.

(4)通過對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)微觀形貌的觀察，發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)力幅的增大，疲勞條帶更加清晰.在較高的應(yīng)力幅作用下，多個(gè)滑移系的相交導(dǎo)致疲勞條帶不在同一平面內(nèi)擴(kuò)展，并且裂紋擴(kuò)展區(qū)內(nèi)出現(xiàn)輪胎壓痕，疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)內(nèi)塑性變形量增大，導(dǎo)致疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)內(nèi)二次裂紋數(shù)量增加.