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Wu L S, Hu H Y, Pan Y J, et al. Creep crack propagation in additively manufactured 316L stainless steel: Experimental insights and numerical modeling[J]. Engineering Fracture Mechanics, 2026, 341: 112194.
Wu, Lin-Sen, et al. "Creep crack propagation in additively manufactured 316L stainless steel: Experimental insights and numerical modeling." Engineering Fracture Mechanics 341 (2026): 112194. (): .
Wu, L. S., Hu, H. Y., Pan, Y. J., Shu, Y., Wang, Y. J., Song, M., Wen, J. F., & Tu, S. T. (2026). Creep crack propagation in additively manufactured 316L stainless steel: Experimental insights and numerical modeling. Engineering Fracture Mechanics, 341, 112194., .
背景简介
激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）等增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术，因能够快速制造复杂构件，并具有调控材料组织与性能的潜力，在核工业和油气等能源领域展现出巨大的应用潜力。316L奥氏体不锈钢得益于良好的耐腐蚀性、高温力学性能和成本优势，是现代工业中广泛应用的结构材料。然而，对于在高温蠕变条件下服役的增材制造部件而言，蠕变裂纹扩展（Creep Crack Growth, CCG）是限制其使用寿命的关键因素。
由于独特的成型工艺，增材制造316L不锈钢往往具有熔池、柱状晶及位错胞等特殊的异质微观结构。这些特征不仅导致其在蠕变行为上表现出显著的各向异性，也在很大程度上影响蠕变裂纹扩展路径和扩展速率。目前，针对增材制造316L不锈钢在高温下的蠕变裂纹扩展行为、断裂机制的研究仍非常匮乏，且缺乏有效的数值方法来预测其裂纹扩展寿命。因此，有必要针对LPBF 316L不锈钢开展不同加载方向下的高温蠕变裂纹扩展实验，并结合先进表征手段揭示其扩展和断裂机理，从而发展可靠的寿命预测模型。
成果介绍
（1）实验揭示了LPBF原始态316L不锈钢在600 ℃下蠕变裂纹扩展（CCG）的显著各向异性行为。研究采用紧凑拉伸（CT）试样，分别沿平行于打印方向（Z-X）和垂直于打印方向（X-Z）施加不同水平的载荷。结果表明，在中低应力水平下，由于外加应力方向与柱状晶长轴平行或垂直的关系，X-Z方向的裂纹扩展速率明显快于Z-X方向；而在高载荷作用下，两者的裂纹扩展速率趋于一致（图1）。与传统锻造316L不锈钢相比，增材制造材料在平行加载方向上的裂纹扩展速率与之相近，但在垂直加载方向上则快了约三倍。
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图1 试件CT-1 ~ CT-6在600 ℃时的CCG曲线：(a) 蠕变裂纹长度随时间变化曲线；(b) CCG速率da/dt与断裂参量C*的关系
（2）阐明了载荷水平和微观结构共同影响蠕变裂纹扩展行为。断口和裂纹路径分析表明，在中低载荷下，蠕变裂纹主要通过晶界上的蠕变孔洞形核、长大和聚合进行沿晶扩展。X-Z方向的裂纹极易沿着近似垂直于加载方向的柱状晶长轴（Long Axis of Columnar Grain, LACG）大角度晶界扩展，扩展阻力较小；而Z-X方向的裂纹需要穿过密集的柱状晶短轴，路径更为曲折。值得注意的是，微裂纹主要在粗晶和细晶交界处的大角度晶界处萌生，且并未沿着熔池边界（Melt Pool Boundaries, MPBs）扩展（图3），表明在该条件下，高角度晶界较熔池边界更易成为裂纹扩展路径。而在高载荷下，Z-X方向裂纹尖端局部应力应变水平显著升高，塑性变形快速累积，穿晶开裂比例增加。此时裂纹扩展由蠕变损伤与塑性损伤共同控制，但蠕变孔洞主导作用减弱、塑性损伤贡献增强，从而加速了裂纹扩展，使其速率逐渐与X-Z方向趋于一致，裂纹扩展的各向异性也随之减弱甚至消失。
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图2 7000 N载荷下LPBF 316L不锈钢电子背散射衍射（EBSD）图：(a) Z-X方向裂纹路径附近的晶界分布图；(b) X-Z方向裂纹路径附近的晶界分布图
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图3 7000 N载荷下LPBF 316L不锈钢裂纹附近的光学显微镜（OM）图（橙色曲线为熔池边界）：(a) Z-X方向；(b) X-Z方向
（3）将Wen-Tu多轴蠕变损伤模型用于增材制造材料的裂纹扩展预测。基于延性耗竭理论和蠕变孔洞长大机制的Wen-Tu模型，通过引入两套由各向异性单轴蠕变实验拟合而来的材料参数，对不同加载方向的CT试样进行了有限元损伤模拟。结果表明，无论是裂纹起裂时间、稳定扩展阶段的速率，还是裂纹的宏观形貌，模拟结果均与实验数据表现出较好的一致性（图4和图5）。这表明，在考虑各向异性参数后，该连续介质损伤力学模型对LPBF 316L不锈钢高温蠕变裂纹扩展具有较好的适用性。
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图4 CT试样（600 ℃）在7000 N（Z-X方向）加载条件下的损伤演化数值模拟结果：(a) 168.5 小时；(b) 271.1 小时；(c) 581.3 小时（实验中断时间）；(d) 625 小时；(e) CT试样断口与数值模拟得到的损伤形貌对比
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图5 试验与模拟得到的蠕变裂纹扩展长度随时间变化：(a) Z-X方向；(b) X-Z方向
结语
该研究表明，增材制造材料固有的异质结构（尤其是沿构建方向外延生长的柱状晶）显著影响了蠕变损伤累积，导致沿不同方向加载的各向异性裂纹扩展行为。通过合理材料参数选取，Wen-Tu模型能一定程度地描述LPBF 316L不锈钢在不同应力水平下的蠕变及裂纹扩展行为。未来，若能将微观结构演化（如柱状晶形态、晶体取向及熔池边界效应）直接引入晶体塑性有限元和蠕变本构模型中，将有望进一步提升增材制造金属构件的寿命预测精度，为能源领域关键设备的高温寿命评估和优化设计提供更为坚实的理论支撑。
致谢
该研究工作得到了国家自然科学基金（No. 52475156, 12275176, 12575295）、国家重点研发计划（2024YFF0618904）、上海市高校高峰学科建设计划以及四川省核电增材制造重点实验室的资助。本文第一作者：吴林森（华东理工大学），本文通讯作者：宋淼（上海交通大学）、温建锋（华东理工大学）。
本期小编：胡华彦 （整理）
王永杰 （校对）
温建锋 （审核）
董乃健 （发布）
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