面向增材制造金属构件的疲劳裂纹扩展行为研究

面向增材制造金属构件的疲劳裂纹扩展行为研究

引言

金属增材制造技术凭借复杂结构一体化成型优势，已广泛应用于航空、能源装备领域。但打印件内部存在未熔合、孔隙等冶金缺陷，在交变载荷作用下易引发裂纹萌生与扩展，构件实际疲劳寿命远低于锻件水平。传统疲劳测试多采用单轴静态表征，难以捕捉裂纹应变场演化，且缺乏材料在循环载荷下从微裂纹萌生到失稳断裂的原位数据，制约增材制造构件寿命预测模型建立。因此，开展增材金属裂纹扩展速率、损伤演化规律研究，对构件安全评估、打印工艺优化具有重要工程价值。本研究制备激光粉末床熔融（LPBF）316L 不锈钢试样，开展循环疲劳裂纹扩展试验，结合 DIC 非接触应变测量，揭示不同打印取向对裂纹扩展路径与断裂机制的影响。

试验部分

试验采用凯尔测控电磁式动态力学试验系统，该设备采用电磁直驱加载，无油源、响应快，支持高频循环载荷闭环控制，可稳定输出正弦交变载荷，配套 DIC 三维数字图像相关系统同步采集试样表面应变场，实现裂纹扩展全过程可视化记录。试样依据 GB/T 6398 制备标准 CT（紧凑拉伸）试样，分别沿打印层厚方向、水平成型方向加工。试验前对试样切口区域打磨抛光，喷涂散斑用于 DIC 应变采集；完成载荷、位移传感器零点标定，夹具对中调试，消除偏心加载带来的附加弯矩。

试验采用应力比 R=0.1 的正弦循环载荷，加载频率 10Hz。试验过程中，凯尔测控试验机实时记录载荷、位移、循环周次，DIC 系统同步采集裂纹应变云图，捕捉裂纹萌生、偏转、分叉全过程。当裂纹扩展至临界长度时，系统自动停止加载。每组工艺参数设置 3 根平行试样，降低试验离散性。试验后结合断口形貌，分析打印取向对裂纹扩展速率、断裂模式的影响。通过试验机采集的 a-N 曲线，计算得到不同取向试样的裂纹扩展速率 da/dN，建立增材制造不锈钢疲劳损伤演化规律。