川大顶刊丨选区激光熔化AlSi7Mg合金的超高周疲劳和超低速裂纹扩展行为研究

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摘要

正文

近日，成都大学与四川大学的研究人员联合研究了激光增材制造AlSi7Mg合金的超高周疲劳和超低速裂纹扩展行为，相关研究成果以题为 “Ultra-high cycle fatigue and ultra-slow crack growth behavior of additively manufactured AlSi7Mg alloy” 发表在期刊《International Journal of Structural Integrity》上。

Graphical Abstract

金属增材制造是先进制造技术领域的重要组成，打印结构成形过程中涉及工艺参数众多，影响因素复杂多变，材料内不可避免产生气孔和未熔合等缺陷，严重影响着材料的长寿命疲劳性能。本文对选区激光熔化（SLM）技术成形的AlSi7Mg合金先后进行了恒幅和变幅超声加速疲劳试验，对其超长寿命疲劳行为下的裂纹萌生特征和超低速的裂纹扩展行为进行了研究。

引用格式: Q. Zhao, X. Li, J. Hu, Y. Jiang, K. Yang, Q.Y. Wang. Ultra-high cycle fatigue and ultra-slow crack growth behavior of additively manufactured AlSi7Mg alloy. International Journal of Structural Integrity, 2024, 15(2): 382-407.

本文使用光学显微镜和EBSD技术观察了材料各向异性的微观组织，然后利用CT技术扫描试样内部的三维缺陷特征并进行统计（图1）。

图1 SLM AlSi7Mg合金的CT扫描结果

使用超声疲劳试验机对AlSi7Mg合金进行恒幅疲劳试验（应力比为-1，应力范围70MPa至122MPa），得到了105-109次循环的高周、超高周疲劳数据（图2）；疲劳试验结束后，通过SEM观察所有失效试样的断口形貌，分析了AlSi7Mg合金在高周和超高周疲劳状态下的裂纹萌生特征，量化了裂纹源在缺陷类型、位置和尺寸方面的疲劳敏感性水平，提出了基于缺陷尺寸的表面、内部裂纹诱发失效的疲劳设计方法（图2）。基于恒幅疲劳试验结果，开展了两步变幅疲劳试验，得到带有“树木年轮状”标记的断口形貌；由于不同应力幅值加载下裂纹的扩展形貌存在着一定差异，基于这一特征估算出不同应力下的疲劳裂纹扩展速率（图3）。