背景简介

增材制造AlSi10Mg合金的疲劳性能对激光功率、扫描速度、层厚、基板温度、成形方向及粉末状态等工艺参数高度敏感，这些因素通过改变微观组织、缺陷分布及残余应力进一步影响其循环变形与疲劳失效行为。尤其在低周疲劳条件下，材料通常表现出明显的循环塑性、平均应力效应及棘轮应变累积，而实际构件又常承受变幅和非对称载荷，使传统基于恒幅加载、稳定滞回响应或单一损伤机制的寿命预测方法受到限制。已有记忆面模型能够描述加载历史的路径依赖性，但单纯依赖循环塑性累积对高强铝合金并不能进行充分描述；与此同时，SWT参数能够综合考虑弹塑性应变及平均应力效应。因此，本文将动态记忆面与逐循环SWT损伤评价相结合，在塑性应变空间中引入可随加载历史演化的记忆变量，以统一表征循环硬化、棘轮累积及载荷顺序效应，从而建立适用于复杂LCF加载历史的路径相关疲劳损伤预测框架。

成果介绍

（1）如图1所示，不同LPBF成形工艺显著影响 AlSi10Mg 的循环硬化和棘轮行为。本文对比了175 W和350 W两种LPBF工艺状态，其中175 W和350 W分别表示成形时采用的激光功率。相比350 W材料，175 W材料具有更高的初始屈服强度和更加明显的循环硬化特征，在相同应力控制条件下，其塑性应变累积明显受到抑制，棘轮变形速率降低，能够承受更多加载循环。其本质在于循环硬化使材料在后续循环中的塑性流动阻力不断提高：在应变控制下主要表现为应力幅增加，而在应力控制下则直接限制每一循环产生的塑性应变，从而形成对棘轮累积的“动态阻碍”，最终提高棘轮抗力。

图1 350 W和175 W两种工艺状态下棘轮曲线对比

（2）如图2所示，CT与断口SEM表征结果表明，试样内部缺陷呈明显的空间非均匀分布特征，其中约65%的孔隙集中于距试样表面0.5 mm范围内。裂纹主要萌生于表面或近表面的球形气孔及未熔合缺陷（LoF），其中形貌尖锐且不规则的LoF缺陷可产生更强的局部应力集中，因此对疲劳裂纹萌生更为不利。裂纹萌生后经历稳定疲劳扩展，最终在相对致密的芯部区域以韧性断裂方式失效，并表现出明显的韧窝及微孔聚合特征。由此表明，近表面增材制造缺陷的尺寸、形貌及空间分布是控制AlSi10Mg疲劳裂纹萌生及寿命的重要因素。

图2 不同加载条件下疲劳裂纹的主要萌生源：a）总应变幅为0.872%的恒应变幅低周疲劳试样；b）总应变幅为0.433%的恒应变幅低周疲劳试样；c）总应变幅为0.213%的恒应变幅低周疲劳试样；d）Case 2多级应力控制棘轮试样

（3）如图3所示，针对传统损伤模型难以合理表征变幅加载历史及棘轮累积效应的问题，作者在塑性应变空间中引入可随加载历史发生扩张与收缩的动态记忆面，以描述材料对既往过载的“记忆”及其逐渐衰减过程。记忆面定义为：

其演化由下式控制：

其中ρ表征记忆面尺寸，cM控制记忆衰减速率。在此基础上，LCF损伤采用SWT参数描述，而棘轮损伤进一步定义为：

该模型能够同时考虑LCF损伤、棘轮累积及加载顺序效应，尤其通过记忆面收缩机制改善了传统模型在非单调棘轮和变幅加载下的预测偏差。最终模型对四种复杂加载工况的预测寿命分别为89、188、229和260周，与对应实验寿命 91、189、241和258周高度一致，平均寿命预测比达到0.983，表明所提出模型具有较高的路径相关损伤表征能力和寿命预测精度。

图3 改进后的路径相关损伤模型预测疲劳寿命与试验测得疲劳寿命的对比

致谢

本研究得到捷克共和国科学基金会（Grant Agency of the Czech Republic）资助，资助项目为 “粉末循环利用影响下增材制造 AlSi10Mg 合金的力学与结构性能”（项目编号：23-05338S）。本文的相关工作还基于 COST Action CA23109 FABER—疲劳基准数据库（Fatigue Benchmark Repository）项目开展，该项目由 COST（European Cooperation in Science and Technology，欧洲科学与技术合作组织）提供支持。本文第一作者：Radim Halama（VŠB-Technical University of Ostrava），本文通讯作者：Wojciech Macek（Gdansk University of Technology）。

本期小编：华飞龙 （整理）

周子尧 （校对）

舒 阳 （审核）

王永杰 （发布）