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背景简介

在工业应用中，机械部件的几何形状通常包含几何不连续的特征，如孔、槽、圆角或缺口，这些特征将显著影响其结构完整性。对于增材制造（AM）工艺生产的部件，有关缺口效应的问题尤其突出。通过结合拓扑优化（TO）算法，并借助AM工艺可以生产具有复杂几何形状的部件。然而，缺口引起的局部峰值应力导致部件中的应力分布状态复杂化，可能会与AM过程中随机产生的高表面粗糙度、残余应力或制造缺陷相互作用，使得缺口效应的分析更加复杂。因此，研究疲劳缺口及其影响预测模型对确保工业应用部件的结构完整性至关重要。

本文针对激光粉末床熔融（LB-PBF）工艺制备得AlSi10Mg合金在超高周疲劳（VHCF）状态下的缺口敏感性进行了研究。通过高达109次循环的超声疲劳试验，研究发现缺口效应显著影响AlSi10Mg合金的疲劳性能，其中表面缺陷起主要作用。

成果介绍

（1）对光滑试样（图1A）和缺口试样（图1B）进行了VHCF试验。在准静态轴向应力作用下，考虑到光滑试样中存在孔洞和有限宽度的影响，计算得到应力集中系数K_t为2.52。缺口试件的几何形状导致了应力集中，如图1C所示。因此引入动态应力集中系数K_t,d，定义为缺口附近的峰值应力与远离缺口的应力在拐点处的比值。而在该拐点处，缺口和自由边缘抵消了它们的影响（图1D），根据定义得到被测试样的K_t,d等于2.645。因此，在准静态和超声测试条件下计算得到的应力集中系数相似，两者之间的差异小于5%。

图1 进行VHCF试验的试样几何形状和应力分布：(A)光滑试样几何形状；(B)缺口试样几何形状；(C)经有限元分析得到的缺口试样应力分布(y方向应力)；(D)轴向应力沿x坐标的分布及动态应力集中系数K_t,d的定义

（2）缺口引起的局部应力集中显著影响了试样的VHCF行为，如图2所示。在相同的循环次数下，当应力幅较大时，缺口试样更容易发生失效。光滑试样的80% P-S-N曲线区间高于缺口试样的相应区间，且两者不重叠，进一步证明了差异的显著性。

图2 试验结果S-N曲线和估计中位数，第0.1和0.9分位数的P-S-N曲线

（3）图3A、图3B分别为缺口试样和平面试样的断裂表面。结果表明，光滑试样的裂纹萌生于试样表面，因为高表面粗糙度导致的表面缺陷比内部缺陷影响更大。对于缺口试样，所有试样的疲劳裂纹均萌生于缺口边缘，即应力最大的局部区域，说明缺口效应与表面质量相互作用，影响裂纹萌生过程。即使在设计阶段被认为是安全的、非常低的应力幅值，如果应用于非常高的循环次数，也可能引发疲劳失效。因此可以通过适当的后处理来提高表面质量以增强疲劳响应，尤其是在部件存在缺口的情况下。

图3 失效试样断裂面裂纹萌生区域：(A)缺口试样，(B)光滑试样

致谢

本文第一作者、通讯作者：Andrea Tridello（Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Politecnico di Torino, Turin, Italy）。

本期小编 闵　琳（整理）

王永杰（校对）

程　航（审核）

王永杰（发布）