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背景简介

SLM技术是一种增材制造（AM）工艺，用于制造几何复杂的轻质零件。SLM技术具有零件精度高的优点，与传统方法相比具有成本效益。SLM技术在制备过程中会产生孔隙、裂纹和高残余应力，在循环载荷作用下加速了机器部件的损伤效应。针对增材制造的AlSi10Mg在应变控制下的低周疲劳研究发现，在非对称应力控制条件下会发生棘轮现象，即在静荷载分量方向上的塑性应变累积，这种现象会显著影响试件或构件的疲劳寿命。

目前，对应变控制棘轮和本构建模的研究很少。虽然已经对恒定平均应力下的棘轮特性进行了许多研究，但尚未开发出任何模型来分析低周疲劳（LCF）状态增量平均应力下的多步棘轮行为。众多模型都考虑了平均应力和应力幅值对循环塑性变形的影响，棘轮应变随平均应力和应力幅值的增大而增大，并且采用累积平均塑性应变作为控制裂纹扩展的损伤参数。因此，在单轴应力控制棘轮下，应进一步研究增量平均应力和应力幅值的影响，以建立本构模型。

试验方案

采用AM500E型3D打印机，激光功率为350w，扫描速度为1150mm/s，层厚为30µm。采用最常用的扫描策略“Meander”，试件的尺寸细节如图1所示。

图1用于低周疲劳试验的试样几何形状

如图2所示，给出了三种加载情况，Case1：保持加载系数R相同，改变应力幅值和平均应力；Case2：保持最大应力相同，改变应力幅值和平均应力；Case3：保持应力幅值相同，改变平均应力。

图2棘轮试验中应力幅值和平均应力

成果介绍

（1）应力控制LCF试验中应变幅值和平均应变的循环变化如图3所示。作为Masing行为的一个例子，图3给出了案例2中特定周期的迟滞回线。通过比较可以看出，在应力控制棘轮作用下，应力幅值和平均应力的逐级递增（最大应力不变）在弹性模量循环变化中表现出边际变动。

图3 AlSi10Mg铝合金三次棘轮试验响应变量演化：(a) 应变幅值；(b) 平均应变

（2）本构模型：

总应变张量：

具有正态规则的流动准则：

Von Mises屈服演化准则：

消退应力演化准则：

式中，S-应力张量的偏差部分，a-背应力张量的偏差部分，R-各向同性硬化/软化变量，Y₀-初始屈服面尺寸，p₀-塑性应变范围， -塑性乘数。

累积塑性应变增量：

随动硬化准则：

循环运动硬化参数：

新提出的棘轮参数：

各向同性硬化变量的演化：

屈服面演化方程：

图4给出了应变控制加载以及1.5%应变范围下模型与实验结果的循环行为对比，以及对称应变控制加载下模拟与实验应力幅值和循环屈服变化和模拟与实验的循环背应力变化。从对比结果可以看出，通过本文提出方法所得的模拟结果与实验结果大致吻合。

图4模拟实验对比：(a) 应变应力循环；(b) 应力幅值和循环屈服变化；(c) 循环背应力变化

（3）如图5所示，对于Case1，新提出的模型可以更准确地模拟所有加载块的应力-应变响应和棘轮行为。对于Case2新提出的改进模型对所有变形范围的棘轮行为有很好的预测。对于Case3，虽然新提出的改进模型对之前的加载块的预测不足，但该模型对最后的加载块的预测很好，对所有其他变形范围的棘轮行为的预测也很合理。

图5棘轮应变随循环次数的变化：(a) Loading case 1；(b) Loading case 2；(c) Loading case 3

（4）如图6的SEM断口形貌所示，加载应变幅值为0.35%时，试样的断裂表面呈现出不均匀的混合状态，既有烧结粉末颗粒痕迹的位置，也有以刻面为特征的位置。加载应变幅值为0.5%时，该试样的组织明显更加均匀，表面呈现较为均匀的组合，光滑表面代表韧性断裂，而刻面特征代表脆性断裂，因此该试样的最终断裂机制是两者相互作用。当应变为0.75%时，试样表现出普遍的韧性断裂机制，断裂表面多为光滑区域，但试样结构内部存在个别球状粉末颗粒。当应变幅值为1.00%时，也观察到类似的现象，但光滑区域更大，在整个断裂表面都观察到单个颗粒的存在。应变幅值为1.25%的试样断口表面呈现韧性断裂痕迹，没有明显的粉末颗粒或杂质存在。

图6 SEM断口形貌：(a) 加载应变幅值0.35%；(b) 加载应变幅值0.5%；(c) 加载应变幅值0.75%；(d) 加载应变幅值1%；(e) 加载应变幅值1.25%

致谢

本项工作得到了“创新和增材制造技术 - 金属和复合材料 3D 打印的新技术解决方案”项目的支持，项目号为 CZ.02.1.01/0.0/0.0/17_049/0008407，该项目属于由捷克共和国教育、青年和体育部开展的研究、开发和教育运营计划，并得到了由捷克共和国科学基金会提供的项目编号为23-05338S的“增材制造AlSi10Mg合金的机械和结构性能及粉末回收效应”研究的支持。