增材Ti-6Al-4V在非比例多軸載荷下的疲勞性能

在比例和非比例多軸載荷作用下，對增材Ti-6Al-4V合金的低周疲勞強度進行了實驗研究。在室溫空氣條件下，采用經過熱處理和未經過熱處理的空心圓筒試樣進行疲勞試驗。進行了兩次疲勞試驗:一次為比例加載，一次為非比例加載。比例加載用推拉應變路徑(PP)表示，非比例加載用圓應變路徑(CI)表示。內部空洞和缺陷明顯地降低了添加材料的失效壽命。然而，測量了缺陷的尺寸，發現缺陷不會導致疲勞強度降低到臨界尺寸以上。利用掃描電子顯微鏡觀察了兩種應變路徑下複合材料的斷口形貌，探討了複合材料的斷裂機理。每種應變路徑識別出不同的斷裂模式;然而，盡管存在大量缺陷，但兩者都表現出裂紋擴展的保留，這可能是因為缺陷的相互作用。闡明了含有大量缺陷的材料在非比例多軸載荷作用下的裂紋擴展特性，提高了增材構件的可靠性。

增材製造(AM)使複雜幾何零件的製造成為可能，由於構件的後續薄截麵的創建，減輕了重量並縮短了加工時間。這代表了一種創新的製造技術[1，2，3.］．但AM工藝參數較多，其工藝控製存在很大問題。此外，由於製造過程中的熱膨脹或熱收縮，會產生缺陷和殘餘應力[2，3.，4，5，6，7，8］．因此，AM通常被認為是不可取的，因為AM部件的強度可靠性不如傳統製造技術，如鑄造、鍛造和軋製[9，10］．因此，為了擴大增材製造零件的適用性，需要準確地了解增材製造零件的疲勞強度特性。Lee等人。[11]報告了經AM加工的SUS304L鋼的疲勞試驗。他們報告說，疲勞壽命對表麵粗糙度敏感，並且在較低的應力水平下，敏感性被放大。謝裏丹對am加工的718合金進行了疲勞測試，並探索了孔隙大小和應力水平之間的關係。相關S-N曲線的散射是由於施加的應力與孔徑之間的相互作用[12］．一般而言，AM零件的疲勞壽命對缺陷的大小和分布很敏感，識別和表征缺陷對疲勞失效的影響對於正確評估疲勞壽命很重要[13，14，15，16，17，18，19］．

鈦合金Ti-6Al-4V目前主要用於航空和醫療領域，因為它具有高強度、優異的耐熱性和耐腐蝕性以及生物相容性。但是，這種材料價格昂貴，可加工性較差。綜上所述，Ti-6Al-4V被認為是一種很好的AM材料[20.］．AM Ti-6Al-4V單軸高周疲勞試驗得到了廣泛的分析;然而，對於非比例多軸載荷下低周疲勞強度的研究，在一個周期內應力或應變的主方向變化是有限的。

Pegues等人[21]研究了粉末原料、製造工藝和後處理對AM Ti-6Al-4V材料的影響。由於顯微結構差異、缺陷、殘餘應力和表麵粗糙度，未經進一步表麵和/或熱後處理的AM Ti-6Al-4V材料的失效壽命明顯短於變形材料。還進行了部件級別的疲勞測試。Molaei等人[22]對有缺口AM材料進行了單軸和多軸疲勞試驗，明確了應力集中對AM材料失效壽命的影響。AM材料的開裂行為與變形材料有很大不同。然而，在非比例多軸條件下進行的拉伸扭轉疲勞試驗很少，這些試驗主要關注AM材料的內部缺陷對其失效壽命的影響。

在這項研究中，在非比例多軸載荷下進行低周疲勞試驗，使用添加製造的試樣。此外，通過觀察斷口形貌，研究了含缺陷AM構件的斷裂機理。然後討論了影響疲勞強度下降的因素，重點討論了以往研究中很少考慮的內部缺陷[23］．

激光粉末床熔合(L-PBF)是製造AM元件最常用的技術[24］．該製造技術的步驟如圖所示1所述製造工藝為:(1)在建築平台上塗覆一層粉狀材料;(2)利用激光將粉末狀材料凝固成三維模型的橫截麵;(3)降低建築平台，下一層施粉;(4)重複該工藝，直至零件製造完成;(5)從未使用的粉末中去除該部分。

L-PBF具有快速製造周期設計的優點，可用於經濟地製造具有複雜幾何形狀的理想零件。但該工藝的缺點是，由於不同工藝參數的影響，L-PBF製造的零件存在孔洞、殘餘應力和表麵粗糙度。為了改善這些因素，可以分別進行熱等靜壓(HIP)和砂紙處理來消除空洞和表麵粗糙度。從而提高AM構件的疲勞強度。

試驗機

數據2而且3.分別展示電動伺服控製拉力扭轉疲勞試驗機的原理圖和照片。試驗機配有軸向和扭轉加載兩種氣缸，可產生非比例加載。最大軸向載荷為50 kN，最大扭矩為500 N·m。加載單元進行載荷測量，采用帶有渦流傳感器的伸度計同時檢測軸向應變和剪切應變。數字4顯示附在試樣上的引伸計的示意圖。

材料和標本

測試材料為鈦合金Ti-6Al-4V。數字5顯示形狀和尺寸，沒有加工過程和合成空心圓柱體試樣，其內徑為9毫米，外徑為11毫米，平行部分為12毫米。為消除殘餘應力，試樣分為“熱處理”(HT)和“未熱處理”(NHT)兩種類型。該層垂直於試件的縱向層壓。為避免表麵粗糙度對疲勞壽命的影響，外表麵用1 μm鋁粉溶液拋光，內表麵用2000粒砂紙拋光。試件平行部分存在大量缺陷;然而，每個缺陷的數量是不同的。

測試條件

一台可以進行拉伸和扭轉試驗的試驗機被用於對試件施加比例和非比例加載路徑。比例加載路徑用PP表示，非比例加載路徑用CI表示，軸向應變與剪切應變呈90度不相。在CI中，von Mises等效應變的強度是恒定的，而主應變的方向在循環過程中發生了變化。軸向和剪切應變用一個長度為12mm應變片的伸度計測量。施加的應變如圖所示6．試驗溫度為室溫，應變速率為\({\點{\ upvarepsilon}} _{{{文本\ {eq}}}} \)= 0.2%/s。所有試驗均在應變控製下進行。

失效的循環次數(失效壽命)定義為軸向應力或剪應力的幅值下降到記錄的最大應力的四分之三的周期。這個失敗的條件已經使用了以前的作者組;該判據可有效地評價Ti-6Al-4V變形材料的多軸失效壽命[19］．因此，這一條件被用於AM Ti-6Al-4V材料。每種情況的標本數量為1個;然而，內部缺陷的影響導致了結果的分散。假設缺陷尺寸的分布具有某種傾向，從而可以僅使用一個試件來評估失效壽命。

疲勞性能

數字7顯示了與von Mises等效應變振幅相關的測試結果，Δε_情商/2、具有失效壽命，N_f．橫軸為疲勞壽命，縱軸為基於von Mises的總應變幅值。PP NHT和PP HT的結果用方形圖表示，而CI NHT和CI HT的結果用圓形圖表示。之前的研究結果也顯示在圖中7．虛線表示三個波段的因子。數字8顯示0.5產生的遲滯回線N_f以及在每個測試條件下整個測試的最大壓力行為。

結果(圖7)的PP檢驗表明，數據的散點並不劇烈，在三個波段的因子範圍內。此外，HT和NHT之間沒有差異。高溫處理溫度不足以消除殘餘應力。然而，PP HT的數據(Δε_情商= 1.3%)表現出較低的故障壽命，並且超出了三個波段的因素。由於非比例多軸載荷作用，CI試驗結果比PP試驗結果短10%。本研究的結果比以往的結果短，因此假設本研究的缺陷量更大。失敗生活在Δε_情商= 0.5%有兩個圖，證實在這個範圍內分布最普遍。不考慮內部缺陷造成數據分散的可能性，失效壽命具有明顯的趨勢。這一點將在後麵的部分中進一步討論。

在數據8(a)、(b)、(e)為Δε處的磁滯回線和最大應力幅_情商= 1.3%。滯回線表明彈性變形大致相同。NHT的最大應力幅值幾乎保持不變。那麼，裂紋很可能是在附近萌生的N_f裂紋萌生後，破壞迅速發生。相比之下，HT的最大應力幅值從約0.3瞬間下降N_f．因此，裂縫被認為是從0.3開始的N_f，裂紋擴展一段時間後發生破壞。

對於其他材料，如不鏽鋼和碳鋼，在低應變水平的情況下，失效壽命幾乎與PP試驗相同，但由於數據有限，本研究不清楚這一點。在數據8(c)、(d)、(f)為Δε的磁滯回線和最大應力幅_情商= 0.5%。在低應變水平下，滯回線也表現出近似相同的彈性變形。兩組數據的最大應力幅值在變形行為上相似。雖然在HT的數據中可以看到過載，但估計幾乎沒有影響，因為它可以在10個周期內進行調整。因此，為什麼這些數據顯示出比其他數據更長的壽命仍然值得懷疑。以往的測試結果亦見圖[23］．在之前研究的數據中，故障壽命比本研究的要長。之前研究的樣品是相同的材料(Ti-6Al-4V)，但製造條件不同。基於上述信息，對內部缺陷進行了研究，量化了缺陷的大小。

內部缺陷

數字9比較以往研究與本研究的內在缺陷。在之前的研究中，觀察到的是內部的小缺陷，而在本研究中，內部缺陷取決於觀察部位。AM構件內部通常有缺陷，材料的疲勞強度取決於缺陷的大小和密度;然而，缺陷尺寸不影響疲勞壽命超過一定尺寸，疲勞試驗結果(圖7)顯示出明顯的相關性，無論各種缺陷大小。表格1顯示了試樣中缺陷大小的分布。試件疲勞破壞後，對握把截麵進行切割和拋光;然後，用光學顯微鏡測量最大缺陷尺寸。表格中1，給出了總應變幅值和失效壽命。從PP NHT的結果可以清楚地看出，缺陷尺寸為3倍的範圍導致3因子失效壽命的分散(應變振幅為0.5%的數據)。換句話說，缺陷大小的3倍差異最多不會顯著影響失效壽命。作為證據，在低應變振幅下，缺陷尺寸相當小。這可能表明，缺陷大小在很大程度上不決定失效壽命。

熱處理材料的缺陷尺寸大於熱處理材料。在高溫材料中，維氏硬度比NHT材料低(380.2 HV比NHT的404.9 HV)。高溫軟化導致了較大的缺陷尺寸。對於CI測試，可以看到類似的趨勢，證實缺陷大小散點與疲勞壽命的散點直接相關，盡管失效壽命中的散點是有限的，因為在關鍵缺陷處發生疲勞失效，可能是因為缺陷之間的相互作用。這一點將在後麵進一步討論。作為缺陷尺寸的概述，失效壽命不受缺陷尺寸影響的臨界尺寸應為160 μm。這是因為在PP試驗中，這個尺寸對應的是NHT最大應變幅值(0.85%)和HT較低應變幅值(0.35%)時的缺陷。

在CI測試中，缺陷大小幾乎與NHT的平均尺寸相對應。這證實了某種規模的存在主導著失敗的生命。這一點將在進一步的研究中進一步討論。與本研究相比，先前研究的缺陷尺寸更小(9 μm)，導致了更長的故障壽命。

斷裂表麵

數字10疲勞試驗後的斷口圖片，觀察麵垂直於試樣軸線。在缺陷(部分熔化的缺陷)周圍觀察到酒窩，並且可以在它們周圍識別出疲勞帶。然而，本研究中很難對試件的主要裂紋萌生部位進行分析。這可能是由於幾個缺陷和裂紋在大範圍內傳播的相互作用。然而，無論應變振幅和應變路徑如何，裂紋都是從部分熔化缺陷的邊界開始的。此外，與使用相同材料獲得的結果相比，缺陷中的應力集中導致過早破裂[20.］．從數據10(a2)和(b2)，試驗過程中，裂紋擴展模式分為第一階段(從裂紋起裂點到裂紋中間點)和第二階段(從裂紋中間點到裂紋結束點)。在第一階段的測試中，根據應變路徑的不同，傳播路徑也不同，從粗糙的疲勞斷口表麵可以看出，可能存在高應力。在PP試驗中，裂紋擴展簡單，而在CI試驗中，裂紋擴展變得複雜。

在CI試驗中，由於循環過程中應力和應變的主方向發生了變化，因此在循環過程中最大剪應力麵發生了變化。因此，有可能裂紋是在多個方向上開始和擴展的。在試驗的第二階段，疲勞斷口具有類似的模式，裂紋擴展似乎已被抑製。估計在多軸應力作用下，產生了局部非傳播效應。因此，在測試的每個階段，裂紋擴展模式的變化可能是具有大量缺陷的AM組件的一個特征，這在非比例多軸加載下是明顯的。

圖中的白色箭頭10(b1)表示與上表麵缺陷相互作用的其他裂紋起裂部位。這一現象導致了裂紋的屏蔽效應和裂紋擴展的暫時停止。這可能是因為失效壽命的不敏感性取決於這種材料的缺陷大小。這一假設應在進一步的研究中得到證實。作者認為，他們可以用一種條件下的一個樣本來評估失效壽命;但是，這一點需要在今後的研究中加以澄清。

在這項研究中，疲勞強度被發現絕對低於以前的研究和傳統製造的部件;然而，AM技術仍有可能用於機械結構，因為在非比例多軸載荷下，裂紋的非擴展效應得到了驗證。

1. (1）

   在PP和CI載荷下的失效壽命幾乎完全不受由於溫度不足而進行的去除殘餘應力的熱處理的影響。在PP測試中，數據的散點沒有那麼劇烈，幾乎所有的數據都在三個波段的因子內。在CI試驗中，雖然數據的散射也很小，但CI加載下的失效壽命比PP加載下的失效壽命降低了10%。

2. （2）

   在之前的研究中觀察到的是內部的小缺陷，在本次研究中觀察到的缺陷較大。在缺陷邊界處產生應力集中，疲勞試驗結果顯示出明顯的相關性。基於對最大缺陷尺寸的量化，推測存在某種臨界尺寸，超過該尺寸缺陷的尺寸對失效壽命沒有顯著影響。

3. （3）

   無論應變振幅和應變路徑如何，裂紋都是從部分熔融缺陷的邊界開始的，這表明與相同材料的結果相比，缺陷中的應力集中導致了過早破裂。

4. （4）

   在試驗的第一階段，由於應變路徑的不同，傳播路徑不同;然而，在試驗的第二階段，疲勞斷口表麵有類似的模式，裂紋的擴展似乎已被抑製。

非常感謝TRUMPS SISMA SRL提供的試件材料。

日本科學振興協會資助(批準號18H05256)。

作者及隸屬關係

1. 立命館大學理工科研究生院，日本誌賀5258577

   Yuya木村

2. 東北大學研究生院斷裂與可靠性研究所，日本宮城9808579

   負責人Ogawa文雄

3. 立命館大學機械工程係，日本誌賀5258577

   伊藤高本

貢獻

YK負責疲勞測試和撰寫稿件;FO觀察斷口表麵;TI指導了這項研究。所有作者都閱讀並批準了最終的手稿。

作者的信息

木村優彌，1996年出生，現任日本大學碩士研究生立命館大學理工科研究生院，日本．

小川文雄，1980年出生，現任日本大學助理教授東北大學工學大學院斷裂與可靠性研究所，日本．他獲得了英格博士學位。學位早稻田大學，日本2014年。主要研究方向為多軸疲勞、高溫強度、碳納米管和金屬基複合材料。

Takamoto Itoh出生於1965年，目前是東京大學的教授機械工程係，日本立命館大學．他獲得了英格博士學位。學位日本立命館大學1992年。主要研究方向為多軸疲勞和高溫強度。

相應的作者

對應到伊藤高本．

相互競爭的利益

作者聲明沒有相互競爭的經濟利益。

開放獲取本文遵循知識共享署名4.0國際許可協議，允許以任何媒介或格式使用、分享、改編、分發和複製，隻要您對原作者和來源給予適當的署名，提供知識共享許可協議的鏈接，並注明是否有更改。本文中的圖像或其他第三方材料包含在文章的創作共用許可協議中，除非在材料的信用額度中另有說明。如果材料未包含在文章的創作共用許可協議中，並且您的預期使用不被法定法規所允許或超出了允許的使用範圍，您將需要直接獲得版權所有者的許可。如欲查看本牌照的副本，請瀏覽http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/．

轉載及權限