Francesco C, Giovanni M. Fracture and notch mechanics to estimate the uniaxial fatigue limit of plain and severely notched L-PBF AlSi10Mg specimens [J]. Engineering Fracture Mechanics, 2025, 326: 111368.
Fracture Collini, et al. " Fracture and notch mechanics to estimate the uniaxial fatigue limit of plain and severely notched L-PBF AlSi10Mg specimens." Engineering Fracture Mechanics 326 (2025): 111368.
Francesco C., & Giovanni M. (2025). Fracture and notch mechanics to estimate the uniaxial fatigue limit of plain and severely notched L-PBF AlSi10Mg specimens. Engineering Fracture Mechanics, 326, 111368.
背景简介
金属材料的增材制造（AM）固有地会引入缺陷，例如内部孔隙（例如气孔、未熔合缺陷）和明显的表面粗糙度。这些与工艺相关的特征不利于疲劳强度，特别是在高周疲劳状态下，因为它们是应力集中区域，可能会促进裂纹的萌生和扩展。在实际工程应用中，无论是有意设计的（例如，拓扑优化的结果或晶格结构中的节点）缺口，还是由设计约束（例如，轴承座、锁孔、焊件）产生的缺口，都会引入额外的局部应力集中，并可能还会引入应力场的局部多轴性，从而使疲劳评估进一步复杂化。因此，使用缺口力学对含缺口的AM材料进行疲劳极限评估是必要的。
成果介绍
（1）理论推导：
U型缺口的疲劳极限：
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其中，a为裂纹尺寸，α是仅取决于裂纹构件的几何形状和荷载类型的形状因子，σg是一个参考应力，在本研究中将其作为总公称应力，ΔKthLC为长裂纹应力强度因子的阈值范围。
考虑缺陷敏感性可将上述模型修改为：
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其中，αeff是有效裂纹尺寸，a0是材料长度参数。
同样的，V型缺口疲劳极限可表示为：
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其中，αγ是形状因子。
无缺陷的材料疲劳极限：
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其中，σUTS是极限抗拉强度，R是应力比。
（2）图1展示了在光滑试样中观察到的典型断裂表面。可以看出，所有疲劳裂纹均起源于表面或近表面的增材制造缺陷，特别是机械加工过程中暴露的未熔合缺陷（LOF），这是增材制造材料（如AlSi10Mg合金）的典型特征。此外，在中高周疲劳区域，裂纹通常从单个"杀手缺陷"起源（如图1a、b所示），而在低周疲劳区域，裂纹则从多个增材制造缺陷同时萌生（如图1c、d、e、f所示）。值得关注的是，多个裂纹可能从同一缺陷处萌生，并在早期扩展阶段合并为单一疲劳裂纹，这一现象在图1f中清晰可见。
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图1 光滑试样断裂面的SEM图像 a，b）Δσg=120 MPa，Nf=2.45×105 cycles；c，d，e，f）Δσg=150 MPa，Nf=4.7×104 cycles
（3）图2所示的尖锐V型缺口断口表面表明，疲劳裂纹几乎沿着缺口尖端整个圆周区域萌生，与缺口尖端是否存在缺陷无关。值得注意的典型例证是：即使缺口尖端附近存在大型缺陷（如图2b、f所示），在高周疲劳和低周疲劳条件下，裂纹仍会沿整个缺口尖端区域萌生。因此，基于本研究测试试样所涉及缺陷尺寸范围的实际数据，该试验结果表明：疲劳设计可聚焦于尖锐V型缺口及基于切口应力强度因子（N-SIF）的方法，而无需过度关注缺陷的影响。
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图2 尖锐V型缺口断口表面2α=45°：a，b）Δσg=37 MPa，Nf=2.9×104周次；c，d，e，f）Δσg=17 MPa，Nf=7.9×105周次，g，h，i）Δσg=14.5 MPa，R-O 10×106周次，Δσg=15 MPa，R-O 5×106周次，Δσg=16 MPa，R-O 5×106周次，Δσg=22 MPa，R-O 4×105周次
（4）图3a表明，所有光滑试样的理论预测值与试验结果高度吻合。由图3b可以看出，将试验疲劳极限值与理论预测值进行对比。可见理论预测与试验结果之间的偏差低于10%。
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图3 ALM（增材制造疲劳寿命）预测模型的验证结果：a) 光滑试样；b) 光滑试样与尖锐V型缺口试样
致谢
本研究在"MICS（Made in Italy – Circular and Sustainable）"扩展合作计划框架下开展，并获得欧盟"下一代欧盟"计划资助。本文第一作者：Francesco Collini (Università degli Studi di Padova)，通讯作者：Giovanni Meneghetti (Università degli Studi di Padova)。
本期小编 华飞龙（整理）
周子尧（校对）
舒 阳（审核）
董乃健（发布）
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