Yankin A, Perveen A, Talamona D. Investigation and prediction of fatigue performance of SLM 316 L stainless steel based on small build orientation variations and heat treatment effects[J]. Scientific Reports, 2025, 15(1): 4583.
Yankin, Andrei, Asma Perveen, and Didier Talamona. "Investigation and prediction of fatigue performance of SLM 316 L stainless steel based on small build orientation variations and heat treatment effects." Scientific Reports 15.1 (2025): 4583.
Yankin, A., Perveen, A., & Talamona, D. (2025). Investigation and prediction of fatigue performance of SLM 316 L stainless steel based on small build orientation variations and heat treatment effects. Scientific Reports, 15(1), 4583.
背景简介
增材制造促进了复杂结构的制造，包括具有多种构建角度的晶格结构。由于晶格结构通常承受准静态和循环载荷，因此有必要全面了解在不同打印角度、后处理条件和加载情形下的材料性能。本研究探讨了超出传统0度、45度和90度构建方向的打印角度对激光选区熔化工艺制备的316L不锈钢力学性能的影响。通过在“原始制造态”和“热处理态”下进行准静态和循环拉伸测试，以评估其力学行为，并建立预测模型。
在“原始制造态”下，极限强度变化较小，仅为7%；而在“热处理态”下变化较大，达到13%。疲劳测试表明，在低周疲劳区域两种状态之间差异较小，而在高周疲劳区域，热处理（heat treatments，HT）样品通常表现出更优的性能。在“原始制造态”中，倾斜角度对疲劳寿命影响更显著，水平构件方向的疲劳寿命优于垂直方向。此外，预测模型表现出了较高的可靠性，约90%的数据落在小于3倍的寿命因子分散带范围内。该模型仅需极少的试验数据（每种状态下两个疲劳曲线），即可有效预测复杂晶格结构的疲劳行为，具有较高的应用价值。
成果介绍
（1）图1展示了打印所得316L不锈钢样品（横截面）的显微组织分析。加载方向和构建方向如图1q所示，带有支撑结构的样品三维示意图如图1r所示。该显微组织可以在不同尺度下进行分析，包括介观尺度（低倍放大图：图1a、c、e、g、i、k、m和o）和微观尺度（高倍放大图：图1b、d、f、h、j、l、n和p）。在介观尺度下，原始制造态（as-built，AB）的样品组织呈现出明显的层状结构形貌。这种现象归因于制造工艺中层间重叠和堆叠的过程导致选择性激光熔化（selective laser melting，SLM）成形层中出现清晰的熔合界面。0度样品的横截面宏观结构表现为重叠的半圆形熔池（图1a），这种形貌受每一层扫描方向旋转的影响。由于扫描方向相对截面方向的变化，当两者平行或近似平行时，会形成类似90度样品横截面（图1m）中的连续条纹，而非典型的熔池形貌。因此，0度样品中的熔池不再呈理想的半圆形，而是沿一个方向拉长，宽度约为40–90微米，长度为100-450微米。垂直构建板的横截面（即90度样品）显示出具有不同方向的激光轨迹所形成的重叠铺粉线（图1m）。由于每层扫描图案的旋转，这些轨迹方向发生变化。条纹的宽度相对稳定，平均约为100微米，长度约为200-700微米。而45°和65°等中间构建角度则表现出从0°到90°样品的微观结构过渡特征（图1e、i），其组织特征尺寸也介于两者之间。
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图1 通过SLM工艺在AB下制备的316L不锈钢样品，其横截面显微组织在不同构建角度下进行观察：（a、b、c、d）0°、（e、f、g、h）45°、（i、j、k、l）65°和（m、n、o、p）90°。其中，图a、c、e、g、i、k、m和o为低倍率图像，图b、d、f、h、j、l、n、p为对应的高倍率图像。图a、b、e、f、i、j、m和n展示的是原始制造态下的组织结构，图c、d、g、h、k、l、o和p则展示了HT后的组织结构。图q为样品的示意图，展示了加载方向与构建方向的关系。图r为采用QuantAM V5.1（renishaw.com/en/software-for-laser-powder-bed-fusion-metal-3d-printing–15255）构建准备软件生成的三维样品示意图，展示了支撑方向为0°、45°和90°的样品模型
（2）在低疲劳寿命区域，各条件下的数值差异较小；但在高疲劳寿命区域，尤其在应力水平约为199 MPa时，差异变得更加明显。具体而言，在几乎所有构建方向上，热处理态的疲劳寿命均长于AB。唯一的例外出现在0度构建角处，其中AB样品未发生断裂，而HT样品在大约90万个循环后发生失效。构建方向对疲劳性能的影响在AB状态下比HT状态下更为显著，尤其是在高周疲劳区域。这种差异可能归因于316L不锈钢在AB状态下的各向异性宏观结构。在AB下，随着构建角度的增加，疲劳性能逐渐降低，水平构建方向的样品表现出较垂直方向更长的疲劳寿命。打印后的HT过程可降低结构的各向异性，从而减小不同构建角度之间疲劳性能的差异。
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图2 316L不锈钢在不同构建角度下的疲劳测试结果：（a） 0度、（b） 45度和（c） 90度，（d）原始制造态和（e）热处理态下进行测试。为区分不同条件（AB或HT）和构建角度，图a、b和c中的曲线与试验数据采用不同颜色表示不同条件（AB或HT），图d和e则用于区分不同构建角度。此外，试验数据使用不同的标记形状表示：黑点和叉号用于分别标识失效样本或未断裂样本，对应各自的颜色分类
（3）图3直观地比较了模型预测结果与试验数据之间的差异，为评估各模型相对于试验数据的预测精度提供了清晰的参考。图中纵轴表示根据最佳拟合模型所得的预测值，这些模型分别针对不同构建角度下的原始制造态和热处理态进行拟合；横轴则表示实际测量的疲劳寿命值。像图3这样的图示在材料疲劳研究中被广泛用于预测精度的评估。在图3及后续类似图中，黑色实线表示预测值与试验结果完全一致的位置。实线左侧的点代表预测结果偏于乐观，右侧的点则表示预测偏于保守。虚线表示±2倍误差范围，点划线表示±3倍误差范围。所谓“±倍数”表示实际结果可能比预测值高出或低至2倍或3倍。例如，如果预测的疲劳寿命为1000次，那么±2倍误差范围即为500至2000次，±3倍误差范围则为333至3000次。
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图3 最佳拟合曲线（RA模型）预测结果与试验结果的对比。其中试验点的颜色用于区分原始制造态和热处理态
致谢
本研究由纳扎尔巴耶夫大学资助，项目名称为“利用超声雾化金属粉末设计、制造与表征金属晶格结构”（项目编号：211123CRP1615）。本文第一作者：Andrei Yankin（Nazarbayev University），本文通讯作者：Didier Talamona（Nazarbayev University）。
本期小编 吴林森（整理）
周子尧（校对）
舒 阳（审核）
董乃健（发布）
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