Усталостное разрушение стали 316L, изготовленной методом селективного лазерного плавления

Изучена кинетика малых трещин в образцах из стали 316L, изготовленной методом селективного лазерного плавления. Отмечена структурная чувствительность таких трещин, формирующихся на технологических дефектах на ранней стадии усталости. Развиваются они преимущественно по границам сплавления, их рост замедляется на границах ванн расплава. Увеличение раскрытия заторможенных трещин приводит к формированию пластической зоны в их вершинах, локализации деформации, затем — к уменьшению раскрытия и продолжению роста с увеличением числа циклов. Чередование процессов распространения и замедления малых трещин отражается на кинетической диаграмме усталостного разрушения, имеющей скоростные пороги роста, расстояние между которыми близко к шагу сканирования при изготовлении стали. Диаграмма описывается уравнением Пэриса с одинаковым показателем на стадии роста как малых, так и длинных трещин. Построенную кривую усталости сравнивали с кривыми усталости для того же материала, полученного традиционным и аддитивным методами. Показано, что построенная кривая, как и кривые усталости для подобного материала, описанные в литературных источниках, лежит много ниже кривой усталости для той же стали, изготовленной традиционным способом. Однако использование оптимальных режимов изготовления, как и проведение последующей термической обработки, приближает усталостные характеристики «аддитивной» стали к характеристикам стали, изготовленной традиционным методом. Изучен макро- и микрорельеф изломов образцов, выделены стадии стабильного и ускоренного развития трещины, оценены длины трещины на изломах, соответствующие этим стадиям, и описаны превалирующие механизмы разрушения на каждой стадии. Показано, что наблюдаемый перелом кривой усталости стали сопровождается увеличением поврежденности боковой поверхности образцов при повышении амплитуды напряжения и переходом к более вязкому рельефу изломов, что объясняется сменой плоскодеформированного на плосконапряженное состояние материала образца, реализующееся в вершине макротрещины.

1. Herzog D., Seyda V., Wycisk E., Emmelmann C. Additive manufacturing of metals / Acta Mater. 2016. Vol. 117. P. 371 – 392. DOI: 10.1016/j.actamat.2016.07.019

2. Olakanmi E. O., Cochrane R. F., Dalgarno K. W. A review on selective laser sintering/melting (SLS/SLM) of aluminium alloy powders: Processing, microstructure, and properties / Prog. Mater. Sci. 2015. Vol. 74. P. 401 – 477. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2015.03.002

3. Thijsa L., Kempenb K., Kruthb J.-P., Van Humbeecka J. Fine srtructured aluminium products with controllable texture by selective laser melting of pro-alloyed AlSi10Mg powder / Acta Mater. 2013. Vol. 61. P. 1809 – 1819. DOI: 10.1016/j.actamat.2012.11.052

4. Ivanov A. D., Minaev V. L., Vishnyakov G. N. Non-destructive optical testing of the products obtained using additive manufacturing / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2019. Vol. 85. N 10. P. 76 – 82 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2019-85-10-76-82

5. Fang Z. C., Wu Z. L., Huang C. G., Wu C. W. Review on residual stress in selective laser melting additive manufacturing of alloy parts / Opt. Laser Technol. 2020. Vol. 129. N 15. P. 106283. DOI: 10.1016/j.optlastec.2020.106283

6. Yadollahi A., Shamsaei N. Additive manufacturing of fatigue resistant materials: Challenges and opportunities / Int. J. Fatigue. 2017. Vol. 98. P. 14 – 31. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2017.01.001

7. Konieczny B., Szczesio-Wlodarczyk A., Sokolowski J., Bociong K. Challenges of Co – Cr Alloy Additive Manufacturing Methods in Dentistry — The Current State of Knowledge (Systematic Review) / Materials (Basel). 2020. Vol. 13. N 16. P. 3524. DOI: 10.3390/ma13163524

8. Botvina L. R. Fracture: Kinetics, Mechanisms, General Laws. — Moscow: Nauka, 2008. — 334 p. [in Russian].

9. Tokaji K., Ogawa T. The growth behaviour of Microstructurally small fatigue cracks in metals / Short fatigue cracks. Vol. 13. — ESIS, 1992. P. 85 – 99.

10. Makhutov N. A. Complex study of the fracture processes in materials and structures / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2018. Vol. 84. N 11. P. 46 – 51 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-11-46-51

11. Sanaei N., Fatemi A. Defects in additive manufactured metals and their effect on fatigue performance: A state-of-the-art review / Prog. Mater. Sci. 2021. Vol. 117. P. 100724. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2020.100724

12. Becker T. H., Kumar P., Ramamurty U. Fracture and fatigue in additively manufactured metals / Acta Mater. 2021. Vol. 219. P. 117240. DOI: 10.1016/j.actamat.2021.117240

13. Chowdhury P., Sehitoglu H. Mechanisms of fatigue crack growth — A critical digest of theoretical developments / Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. 2016. Vol. 39. N 6. P. 652 – 674. DOI: 10.1111/ffe.12392

14. Pearson S. Initiation of fatigue cracks in commercial aluminium alloys and the subsequent propagation of very short cracks / Eng. Fract. Mech. 1975. Vol. 7. N 2. P. 235 – 247. DOI: 10.1016/0013-7944(75)90004-1

15. Lankford J. Initiation and early growth of fatigue cracks in high strength steel / Eng. Fract. Mech. 1977. Vol. 9. N 3. P. 617 – 624. DOI: 10.1016/0013-7944(77)90074-1

16. Cheng A. S., Laird C. Fatigue Life Behavior of Copper Single Crystals. Part II: Model for Crack Nucleation in Persistent Slip Bands / Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. 1981. Vol. 4. N 4. P. 331 – 341. DOI: 10.1111/j.1460-2695.1981.tb01131.x

17. Taylor D., Knott J. F. Fatigue Crack Propagation Behaviour of Short Cracks; the Effect of Microstructure / Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. 1981. Vol. 4. N 2. P. 147 – 155. DOI: 10.1111/j.1460-2695.1981.tb01116.x

18. Miller K. J. The Behaviour of Short Fatigue Cracks and Part I-a Review of Two Recent Books / Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. 1987. Vol. 10. N 1. P. 93 – 113.

19. Botvina L. R. Fracture Kinetics of Structural Materials. — Moscow: Nauka, 1989. — 234 p. [in Russian].

20. Botvina L. R., Shabalina V. N. On discontinuity of kinetic diagram of fatigue fracture / Problems of strength. 1986. Vol. 9. P. 62 – 67 [in Russian].

21. Botvina L. R., Kogan I. S. Features of small fatigue cracks growth in stainless steel notched samples / Fiz.-Khim. Mekh. Mater. 1984. Vol. 20. N 5. P. 108 – 109 [in Russian].

22. Botvina L. R., Kogan I. S., Limar’ L. V. Growth of small fatigue cracks in notched specimens / Fiz.-Khim. Mekh. Mater. 1984. Vol. 20. P. 77 – 81 [in Russian].

23. Botvina L. R., Kogan I. S., Limar’ L. V. Method for estimating the growth rate of small fatigue cracks in notched specimens / Zavod. Lab. 1984. Vol. 60. N 12. P. 59 – 61 [in Russian].

24. Irwin G. R. Fracture / Chapter in the book Encyclopedia of Physics. Vol. VI. Elasticity and Plasticity. 1958. P. 551 – 590. DOI: 10.1007/978-3-662-43081-1

25. Miller K. J. The behavior of short fatigue cracks and their initiation. Part II. A general summary / Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. 1987. Vol. 10. N 2. P. 93 – 113. DOI: 10.1111/j.1460-2695.1987.tb01153.x

26. Taylor D. Euromech colloquium on short fatigue cracks / Fatigue Eng. Mater. Struct. 1982. Vol. 5. N 4. P. 305 – 309. DOI: 10.1111/j.1460-2695.1982.tb01239.x

27. Isaenkova M. G., Yudin A. V., Rubanov A. E., et al. Deformation behavior modelling of lattice structures manufactured by a selective laser melting of 316L steel powder / J. Mater. Res. Technol. 2020. Vol. 9. N 6. P. 15177 – 15184. DOI: 10.1016/j.jmrt.2020.10.089

28. ASTM A 240/A 240M. Standard Specification for Chromium and Chromium-Nickel Stainless Steel Plate, Sheet, and Strip for Pressure Vessels and for General Applications. 2017.

29. Huang J.-Y., Yeh J.-J., Jeng S.-L., et al. High-Cycle Fatigue Behavior of Type 316L Stainless Steel / Mater. Trans. 2006. Vol. 47. N 2. P. 409 – 417. DOI: 10.2320/matertrans.47.409

30. Spierings A. B., Starr T. L., Wegener K. Fatigue performance of additive manufactured metallic parts / Rapid Prototyp. J. 2013. Vol. 19. N 2. P. 88 – 94. DOI: 10.1108/13552541311302932

31. Hatami S., Ma T., Vuoristo T., et al. Fatigue Strength of 316 L Stainless Steel Manufactured by Selective Laser Melting / J. Mater. Eng. Perform. 2020. Vol. 29. N 5. P. 3183 – 3194. DOI: 10.1007/s11665-020-04859-x

32. Wood P., Libura T., Kowalewski Z. L., et al. Influences of horizontal and vertical build orientations and post-fabrication processes on the fatigue behavior of stainless steel 316l produced by selective laser melting / Materials (Basel). 2019. Vol. 12. N 24. DOI: 10.3390/ma1224203

33. Wang Z., Yang S., Huang Y., et al. Microstructure and Fatigue Damage of 316L Stainless Steel Manufactured by Selective Laser Melting (SLM) / Cailiao Daobao/Materials Reports. 2021. Vol. 14. N 22. P. 22125 – 22131. DOI: 10.11896/cldb.20070232

34. Riemer A., Leuders S., Thöne M., et al. On the fatigue crack growth behavior in 316L stainless steel manufactured by selective laser melting / Eng. Fract. Mech. Pergamon. 2014. Vol. 120. P. 15 – 25. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2014.03.008

35. Shabalin V. I. On the discontinuity in duralumin fatigue curves / Dokl. AN SSSR. Tekhn. Fiz. 1958. Vol. 122. N 4. P. 600 – 604 [in Russian].

36. Zhang M., Li H., Zhang X., Hardacre D. Review of the fatigue performance of stainless steel 316L parts manufactured by selective laser melting / Proc. Int. Conf. Prog. Addit. Manuf. 2016. Vol. F1290. P. 563 – 568.

37. Zhang J., Zeißig M., Dörfert R., et al. Influence of laser beam scanning pattern and polar angle on the fatigue behavior of additively manufactured specimens made of steel 316L / Mater. Sci. Eng. A. 2023. Vol. 886. P. 145651. DOI: 10.1016/j.msea.2023.145651

38. Qiu C., Adkins N. J. E., Attallah M. M. Microstructure and tensile properties of selectively laser-melted and of HIPed laser-melted Ti-6Al-4V / Mater. Sci. Eng. A. 2013. Vol. 578. P. 230 – 239. DOI: 10.1016/j.msea.2013.04.099

39. Saiz E., Tomsia A. P., Cannon R. M. Ridging effects on wetting and spreading of liquids on solids / Acta Mater. 1998. Vol. 46. N 7. P. 2349 – 2361. DOI: 10.1016/S1359-6454(98)80016-5

40. Sunder R., Porter W. J., Ashbaugh N. E. Fatigue voids and their significance / Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. 2002. Vol. 25. N 11. P. 1015 – 1024. DOI: 10.1046/j.1460-2695.2002.00565.x