基于应变模型的应力释放LPBF AlSi10Mg材料的循环变形及低周疲劳寿命预测

《Journal of Alloys and Compounds》：Cyclic Deformation and Low-Cycle Fatigue Life Prediction of Stress-Relieved LPBF AlSi10Mg via Strain-Based Models

研究激光粉末床熔融（LPBF）制造的AlSi10Mg合金经应力消除退火（SRA）后的低循环疲劳（LCF）行为。通过对比不同温度（245°C、275°C、290°C）和时间的热处理，发现290°C/2小时处理使合金延伸率提升至~8%，有效缓解残余应力并优化显微结构（球状硅颗粒和断裂共晶网络），从而增强裂纹偏转能力。测试显示对称滞回环、无Bauschinger效应，初期循环硬化后逐渐软化，符合动态回复机制。疲劳寿命符合Coffin-Manson等方程，裂纹源于内部孔隙/未熔缺陷并在熔池边界扩展。结论表明SRA显著提升合金抗损伤能力和高应变幅下疲劳寿命。

　　

Ramavajjala Anil Kumar | R.N. Chouhan | Sushil K. Mishra | Vijay Hiwarkar | C.A. Joshi | A. Agnihotri | Rajesh K. Khatirkar

印度纳格浦尔维斯韦斯瓦拉亚国立理工学院（VNIT）冶金与材料工程系，South Ambazari Road，440010

摘要

本研究探讨了激光粉末床熔融（LPBF）制造的AlSi10Mg合金在应力消除退火（SRA）后微观结构演变对其低周疲劳（LCF）过程中的循环变形和疲劳寿命的影响。研究了三种热处理后的微观结构变化：245°C下处理2小时、275°C下处理0.5小时以及290°C下处理2小时。最终选择290°C下处理2小时作为疲劳测试的热处理方式，因为该处理方式表现出最佳的伸长率（约8%）和最有效的应力消除效果。经过处理后的材料具有球化的Si颗粒和部分分解的共晶网络微观结构，这有望提高材料的抗裂纹能力。在全可逆应变控制测试（R_ε = -1）条件下，材料表现出对称的迟滞回线，且未观察到Bauschinger效应。材料在初期表现出循环硬化现象，随后逐渐软化。应力幅值分析显示，材料首先硬化，随后出现明显的循环软化现象，这反映了应力幅值相对于峰值响应的逐渐减小。这种软化行为与室温下的动态恢复机制一致。疲劳寿命数据符合Coffin-Manson、Manson-Coffin-Basquin和Ramberg-Osgood方程的预测，表明材料的失效机制主要受循环塑性的控制。疲劳裂纹起源于内部孔洞或缺乏熔合缺陷处，并通过熔池边界的韧性微孔聚合扩展。总体而言，通过LPBF工艺制造并经过290°C下2小时SRA处理的AlSi10Mg合金表现出较好的抗损伤能力和较大的疲劳寿命。

引言

AlSi10Mg是一种亚共晶铝硅合金，在增材制造（AM）领域越来越受欢迎。它具有较高的强度重量比和良好的机械性能，特别适用于需要轻质结构的航空航天和汽车应用[1]、[2]。AlSi10Mg最初是为铸造目的开发的，但在LPBF工艺中也显示出诸多优势，如良好的铸造性能（低凝固收缩率、几乎无热裂纹）、高强度重量比、良好的焊接性和耐腐蚀性[3]。这些特性使其成为研究最多的用于承受显著循环载荷的轻质结构AM合金之一。LPBF工艺产生的AlSi10Mg微观结构与传统铸造工艺不同：快速逐层凝固和高冷却速率导致形成了α-Al树枝晶与过饱和固溶体中的硅相结合的超细微观结构[4]、[5]。通常，硅会聚集在晶胞边界处，形成连续的共晶Si网络，其中纳米级的Si颗粒分散在铝晶胞中[6]、[7]、[8]。这种精细的微观结构使得LPBF制造的AlSi10Mg比传统铸造的Al-Si合金具有更高的屈服强度和硬度[8]，尽管LPBF过程中的非平衡微观结构和逐层热历史会导致材料中产生较高的残余应力[9]。如果这些残余应力得不到缓解，可能会导致零件变形并改变循环载荷下的有效应力状态，从而促进疲劳裂纹的起始和扩展。因此，虽然原始合金强度较高，但可能缺乏足够的韧性来承受循环载荷，因此需要某种后处理。

热处理通常用于修改LPBF AlSi10Mg的微观结构并缓解内部应力，以提高其整体机械性能和疲劳性能[10]、[11]、[12]。常用的应力消除退火（SRA）温度约为250–300°C，处理时间为1–2小时，旨在缓解残余应力并提高材料的韧性，同时不会显著改变微观结构。在这些低温下（大致在合金的时效温度范围内），只会发生中等程度的微观结构变化[13]、[14]。在260–300°C下退火会使共晶Si网络开始球化并粗化，最终将脆性的Si相分解为更球形的颗粒[13]、[15]。这些应力消除处理会略微降低材料的硬度和强度（由于部分Si颗粒粗化和溶质过饱和度的降低），但能显著减少残余应力。相比之下，更激进的热处理（如T6时效）也在LPBF AlSi10Mg上进行了研究[15]。T6时效会在材料中析出Mg₂Si强化相；然而，这种处理会通过溶解细小的Si网络并在时效过程中重新析出硅和富镁相，导致微观结构显著粗化，几乎达到平衡状态[16]、[17]。这虽然提高了韧性，但降低了峰值强度，因为原始的晶胞结构和纳米级Si分散现象被破坏[9]、[18]、[19]、[20]。因此，选择哪种后处理方式取决于强度和韧性的平衡，这最终决定了材料的疲劳性能。

研究表明，LPBF AlSi10Mg的疲劳性能对原始表面质量、内部缺陷分布和微观结构非常敏感[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。先前的高周疲劳（HCF）研究表明，工艺过程中产生的缺陷（如气孔或熔合缺陷）和粗糙的原始表面会显著降低疲劳寿命。原始样品中的疲劳裂纹通常起源于靠近表面的孔洞或未熔化的颗粒造成的缺口，导致HCF条件下的过早失效。通过机械加工或喷丸等表面处理技术，以及热等静压或优化扫描参数等孔洞处理技术，可以有效延长LPBF AlSi10Mg在高周疲劳条件下的寿命[26]、[27]、[28]。此外，构建方向也是一个重要因素：水平构建的样品（载荷与层平面平行）通常比垂直构建的样品具有更好的疲劳寿命，这主要是由于微观结构和缺陷排列的差异[29]。热处理通过缓解拉伸残余应力并改变原始微观结构来提高疲劳强度[30]。低温退火通过降低内部应力梯度并提高材料在循环载荷下的缺陷容忍能力，从而延长了LPBF AlSi10Mg组件的疲劳寿命[2]。尽管应力消除处理在许多情况下具有积极效果，但其效果并不总是均匀的——AM合金的疲劳行为对缺陷非常敏感。例如，经过265°C或300°C处理的AlSi10Mg样品在疲劳强度上没有明显改善[31]、[32]、[33]。这种改善不足的原因在于材料中存在的固有孔洞限制了疲劳寿命，而缓解残余应力对提高高周疲劳耐久性没有影响[31]。这些发现表明，后处理对疲劳性能的有效性取决于具体的疲劳类型（低周疲劳与高周疲劳）、主要失效机制以及初始缺陷的性质。

尽管已有大量关于LPBF AlSi10Mg高周和超高周疲劳响应的文献，但对于其低周疲劳（LCF）行为的研究相对较少，尤其是在应变控制载荷和应力消除处理后的行为[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]。LCF是指每周期具有显著塑性应变的循环变形，通常决定了承受大循环应力/应变幅度或启停服务条件的组件的疲劳寿命。由于LPBF AlSi10Mg组件（如发动机部件或承载支架）在运行中可能反复承受高应变，因此深入了解其LCF行为至关重要。然而，大多数关于AM AlSi10Mg的疲劳研究都是基于载荷控制的HCF条件或比较原始样品与T6处理后的样品[37]、[39]。很少有研究探讨AlSi10Mg的应变控制循环变形、原始材料的Coffin-Manson参数或高温下的停留疲劳。目前尚未有研究关注标准SRA（如290°C下处理2小时）对LPBF AlSi10MG LCF性能的具体影响。因此，这在增材制造Al-Si合金的疲劳表征方面存在一个重要空白[14]、[40]、[41]。由于应力消除是AM零件的常见后处理技术，因此有必要深入探讨应力消除对AlSi10Mg循环塑性、迟滞响应和短寿命疲劳耐久性的影响。本研究的目的是进一步了解经过应力消除热处理的LPBF AlSi10Mg的LCF行为。实验中使用的AlSi10Mg样品是通过LPBF工艺制造的，并在290°C下处理2小时以消除残余应力。

材料与方法

本研究使用的AlSi10Mg合金化学成分（重量百分比）为：10.1%Si、0.3%Mg、0.55%Fe，其余为Al，采用EOS M290（EOS GmbH，德国）设备通过LPBF工艺制造，成型为立方块（尺寸为150毫米×150毫米×150毫米）。作为原料的AlSi10Mg粉末由EOS德国公司提供。打印参数包括：激光功率340瓦、扫描速度1100毫米/秒、层间距0.12毫米、层厚...

放射照相与孔隙率

放射照相结果显示（图1a），LPBF制造的AlSi10Mg块中存在一些尺寸在0.27至0.65毫米之间的孔洞，这些孔洞可能是由于熔合不良造成的[42]。总体孔隙率较低，原始状态的AlSi10Mg相对密度超过99.8%，但即使是很小的孔洞也可能对疲劳性能产生不利影响[43]。增材制造的AlSi10Mg在孔隙率方面并不新鲜...

结论

本研究探讨了在290°C下进行2小时应力消除退火（290-2H）处理的LPBF制造的AlSi10Mg的LCF行为。微观结构的变化、应变响应行为、疲劳寿命和断裂形态之间存在明显的相关性。因此，290-2H处理明显导致共晶硅网络的破碎和球化，以及残余应力的完全消除...

CRediT作者贡献声明

A. Agnihotri：撰写、审阅与编辑、资源整理。 Khatirkar Rajesh：撰写、审阅与编辑、验证、监督、资源整理、概念构建。 Kumar Ramavajjala：撰写初稿、可视化、方法设计、实验实施、数据分析、概念构建。 R.N. Chouhan：撰写、审阅与编辑、资源整理。 Mishra Sushil：撰写、审阅与编辑、资源整理。 Vijay Hiwarkar：撰写、审阅与编辑、资源整理。 Joshi C.：撰写、审阅与编辑...

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢纳格浦尔维斯韦斯瓦拉亚国立理工学院（VNIT）院长提供的必要设施和持续的支持，使本研究得以发表。