Исследование анизотропии характеристик малоцикловой усталости нержавеющей стали 316LSi, полученной методом проволочно-дуговой наплавки

При изготовлении деталей сложной геометрии с использованием аддитивных технологий в материалах возникает анизотропия механических свойств. Анизотропию статических и циклических свойств можно оценить с помощью экспериментальных исследований образцов, вырезанных в разных направлениях из наплавленной заготовки. Цель работы — исследование анизотропии механических характеристик при циклическом и статическом нагружениях нержавеющей стали 316LSi, полученной методом проволочно-дуговой наплавки. Испытания проводили на образцах, вырезанных в трех различных направлениях из наплавленной заготовки, при статическом растяжении. Установлено, что на упругие свойства стали влияет прежде всего направление вырезки образцов. Проанализировано влияние ориентации образцов на механическое поведение стали при малоцикловой усталости с контролируемыми параметрами осевой деформации. Показано, что наибольшей и наименьшей циклической долговечностью при равных значениях амплитуды деформации характеризуются образцы, вырезанные в вертикальном и диагональном направлениях по отношению к плоскости наплавленных слоев. Представлены результаты сопоставления экспериментальных кривых малоцикловой усталости с кривыми, параметры которых рассчитывали на основе уравнения Басквина – Мэнсона – Коффина и данных статических испытаний при растяжении. Показана возможность прогнозирования характеристик малоцикловой усталости для различных направлений вырезки образцов. Полученные результаты могут быть использованы при модификации технологических параметров проволочно-дуговой наплавки для уменьшения эффекта анизотропии механических свойств аддитивных материалов.

1. Careri F., Khan R., Todd C., et al. Additive manufacturing of heat exchangers in aerospace applications: a review / Appl. Therm. Eng. 2023. Vol. 235. 121387. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2023.121387

2. Gardner L. Metal additive manufacturing in structural engineering — review, advances, opportunities and outlook / Structures. 2023. Vol. 47. P. 2178 – 2193. DOI: 10.1016/j.istruc.2022.12.039

3. Khan N., Riccio A. A systematic review of design for additive manufacturing of aerospace lattice structures: current trends and future directions / Progr. Aerospace Sci. 2024. Vol. 149. 101021. DOI: 10.1016/j.paerosci.2024.101021

4. Леонтьева Ю. О. Сравнение прочностных и структурных свойств образцов из нержавеющей стали EOS PH1 аддитивного производства и из закаленной стали марки 30ХГСА традиционного изготовления / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2022. Т. 88. ¹ 7. С. 63 – 72. DOI: 10.26896/1028-6861-2022-88-7-63-72

5. Bekker A. C. M., Verlinden J. C. Life cycle assessment of wire + arc additive manufacturing compared to green sand casting and CNC milling in stainless steel / J. Clean. Prod. 2018. Vol. 177. P. 438 – 447. DOI: 10.1016/j.jclepro.2017.12.148

6. Cunningham C., Wikshåland S., Xu. F., et al. Cost modelling and sensitivity analysis of wire and arc additive manufacturing / Proc. Manufact. 2017. Vol. 11. P. 650 – 657. DOI: 10.1016/j.promfg.2017.07.163

7. Махутов Н. А., Макаренко И. В., Макаренко Л. В. Кинетика разнонаправленности упругопластического разрушения при учете анизотропии свойств материала / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2020. Т. 86. № 1. С. 44 – 50. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-1-44-50

8. Юрченко А. В. Формирование коллекции научных данных по результатам механических испытаний образцов, полученных с применением аддитивных технологий / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2020. Т. 86. ¹ 10. С. 56 – 65. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-10-56-65

9. Yadollahi A., Shamsae 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

10. Karakas Ö., Kardes F., Foti P., et al. An overview of factors affecting high-cycle fatigue of additive manufacturing metals / Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. 2023. Vol. 46. No. 5. P. 1649 – 1668. DOI: 10.1111/ffe.13967

11. Javidrad H., Koc B., Bayraktar H., et al. Fatigue performance of metal additive manufacturing: a comprehensive overview / Virt. Phys. Prototyp. 2024. Vol. 19. No. 1. e2302556. DOI: 10.1080/17452759.2024.2302556

12. Avanzini A. Fatigue behavior of additively manufactured stainless steel 316L / Materials. 2022. Vol. 16(1). No. 65. DOI: 10.3390/ma16010065

13. Solberg K., Guan S., Razavi N., et al. Fatigue of additively manufactured 316L stainless steel: the influence of porosity and surface roughness / Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. 2019. Vol. 42. No. 9. P. 2043 – 2052. DOI: 10.1111/ffe.13077

14. Rivolta B., Gerosa R., Panzeri D. Selective laser melted 316L stainless steel: influence of surface and inner defects on fatigue behavior / Int. J. Fatigue. 2023. Vol. 172. 107664. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2023.107664

15. Kopec M., Gunputh U., Macek W., et al. Orientation effects on the fracture behaviour of additively manufactured stainless steel 316L subjected to high cyclic fatigue / Theor. Appl. Fract. Mech. 2024. Vol. 130. 104287. DOI: 10.1016/j.tafmec.2024.104287

16. Blinn B., Lion P., Jordan O., et al. Process-influenced fatigue behavior of AISI 316L manufactured by powder- and wire-based Laser Direct Energy Deposition / J. Mater. Sci. Eng. A. 2021. Vol. 818. 141383. DOI: 10.1016/j.msea.2021.141383

17. Ходинев И. А., Монин С. А. Анизотропия характеристик малоцикловой усталости монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов / Труды ВИАМ. 2020. № 10(92). С. 97 – 105. DOI: 10.18577/2307-6046-2020-0-10-97-105

18. Ломакин Е. В., Третьяков М. П., Ильиных А. В. и др. Механическое поведение конструкционной стали ЭП517Ш при двухосной малоцикловой усталости в условиях нормальных и повышенных температур / Вестник ПНИПУ. Механика. 2019. № 1. С. 77 – 86. DOI: 10.15593/perm.mech/2019.1.07

19. Ильиных А. В., Вильдеман В. Э., Третьяков М. П. Экспериментальное исследование механического поведения конструкционных сплавов при двухосном циклическом нагружении / Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. 2017. № 51. С. 115 – 123.

20. Иноземцев А. А., Ратчиев А. М., Нихамкин М. Ш. и др. Малоцикловая усталость и циклическая трещиностойкость никелевого сплава при нагружении, характерном для дисков турбин / Тяжелое машиностроение. 2011. № 4. С. 30 – 33.

21. Романов А. Н. Проблемы материаловедения в механике деформирования и разрушения на стадии образования трещин (ч. 1) / Вестник науч.-техн. развития. 2013. № 11(75). С. 38 – 49.

22. Махутов Н. А. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. — М.: Машиностроение, 1981. — 272 с.

23. Абашев Д. Р. Малоцикловая усталость образцов бронзового сплава с кольцевой выточкой / Вестник ПНИПУ. Механика. 2022. ¹ 3. С. 32 – 41. DOI: 10.15593/perm.mech/2022.3.04

24. Shamsujjoha M., Agnew S., Fitz-Gerald J., et al. High strength and ductility of additively manufactured 316L stainless steel explained / Metall. Mater. Trans. A. 2018. Vol. 49. P. 3011 – 3027. DOI: 10.1007/s11661-018-4607-2

25. Yadollahi A., Shamsaei N., Thompson S., et al. Effects of process time interval and heat treatment on the mechanical and microstructural properties of direct laser deposited 316L stainless steel / Mater. Sci. Eng. A. 2015. Vol. 644. P. 171 – 183. DOI: 10.1016/j.msea.2015.07.056

26. Ботвина Л. Р., Белецкий Е. Н., Демина Ю. А. и др. Усталостное разрушение стали 316L, изготовленной методом селективного лазерного плавления / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2024. Т. 90. ¹ 7. С. 56 – 67. DOI: 10.26896/1028-6861-2024-90-7-56-67

27. Beard W., Lancaster R., Barnard N., et al. The influence of surface finish and build orientation on the low cycle fatigue behaviour of laser powder bed fused stainless steel 316L / Mater. Sci. Eng. A. 2023. Vol. 864. 144593. DOI: 10.1016/j.msea.2023.144593

28. Shrestha R., Simsiriwong J., Shamsaei N. Fatigue behavior of additive manufactured 316L stainless steel parts: effects of layer orientation and surface roughness / Addit. Manufact. 2019. Vol. 28. P. 23 – 38. DOI: 1016/j.addma.2019.04.011

29. Olshanskaya T., Trushnikov D., Dushina A., et al. Microstructure and properties of the 308LSi austenitic steel produced by plasma-MIG deposition welding with layer-by-layer peening / Metals. 2022 Vol. 12(1). DOI: 10.3390/met12010082

30. Shchitsyn Y., Kartashev M., Krivonosova E., et al. Formation of structure and properties of two-phase Ti-6Al-4V alloy during cold metal transfer additive deposition with interpass forging / Materials. 2021. Vol. 14. No. 16. 4415. DOI: 10.3390/ma14164415

31. Shchitsyn Y. D., Krivonosova E. A., Neulybin S. D., et al. Characteristics of structure and properties of magnesium alloys during plasma additive deposition / Phys. Mesomech. 2021. Vol. 24. No. 6. P. 716 – 723. DOI: 10.1134/s1029959921060102

32. Баяндин Ю. В., Дудин Д. С., Ильиных А. В. и др. Характеристики прочности и пластичности ряда металлических сплавов и нержавеющих сталей, созданных проволочно- дуговой наплавкой, в широком диапазоне скоростей деформаций / Вестник ПНИПУ. Механика. 2023. ¹ 1. С. 33 – 45. DOI: 10.15593/perm.mech/2023.1.04

33. Laghi V., Palermo M., Tonelli L., et al. Tensile properties and microstructural features of 304L austenitic stainless steel produced by wire-and-arc additive manufacturing / Int. J. Adv. Manufact. Technol. 2020. Vol. 106. P. 3693 – 3705. DOI: 10.1007/s00170-019-04868-8

34. Кривко А. И., Епишин А. И., Светлов И. Л. и др. Упругие свойства монокристаллов никелевых сплавов / Проблемы прочности. 1988. ¹ 2. С. 68 – 75.

35. Xin H., Correia J., Veljkovic M., et al. Probabilistic strain-fatigue life performance based on stochastic analysis of structural and WAAM-stainless steels / Eng. Failure Anal. 2021. Vol. 127. 105495. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2021.105495

36. Ходинев И. А., Горбовец М. А., Монин С. А. и др. Исследование характеристик малоцикловой усталости жаропрочного деформируемого сплава ВЖ175 / Труды ВИАМ. 2022. ¹ 1(107). С. 97 – 110. DOI: 10.18577/2307-6046-2022-0-1-97-110