《Optics & Laser Technology》：Femtosecond laser fabrication process of surface microstructures and their influence on mechanical properties
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微结构类型对316L不锈钢力学性能的影响研究表明，凸起结构显著降低材料强度，而凹面结构影响较小，圆形结构优于方形，水平条纹方向影响疲劳性能。
汤宽鑫|王超|冯泽明|蔡玉奎|李星|梁晓亮|马海峰|刘战强
山东大学机械工程学院，中国济南250061
摘要
微结构在超疏水表面中被广泛应用；因此，了解其对机械性能的影响对于这些表面的实际应用至关重要。本研究通过实验测试和有限元分析（FEA）研究了六种常见微结构类型（包括圆形突起、方形坑和水平条纹）对316L不锈钢的拉伸性能和疲劳性能的影响。结果表明，与凹形微结构相比，凸形微结构显著降低了机械性能。此外，在具有相同形态特征的微结构中（无论是凸形还是凹形），圆形微结构在保持机械强度方面表现更好。条纹微结构的性能取决于其方向。就拉伸性能而言，这些发现可以归因于不同微结构类型导致的体积损失程度和应力集中效应的不同。疲劳行为受到类型对最大表面应力及应力分布的影响，而后者直接影响应力梯度、裂纹起始位置的数量和裂纹扩展速率。这些发现表明，水平条纹是超疏水表面最可行的微结构设计，它在功能性和机械可靠性之间提供了有效的平衡。
引言
316L不锈钢因其优异的机械性能和良好的生物相容性而被广泛用于医疗植入物和外科手术器械[1]、[2]。然而，植入物常常因细菌感染而失效[3]。为了解决这个问题，人们采用了在表面赋予超疏水性来减少细菌附着[4]。实现超疏水表面需要构建特定的微结构，目前已开发出了多种这样的设计。其中，圆形突起[5]、方形坑[6]、条纹[7]和方形突起[8]等微结构在该领域最为普遍。这归因于它们的简单几何形状、易于制造、在实现超疏水性方面的有效性以及出色的整体性能，因此具有较高的研究价值。然而，关于各种微结构对植入物机械性能的影响却很少被研究。植入物在体内会受到循环载荷和腐蚀环境的影响，这对它们的机械性能提出了严格的要求[10]。如果只考虑微结构的超疏水功能而忽视其对材料机械性能的潜在影响，这些表面的实际应用可能会受到影响。因此，研究微结构对机械性能的影响至关重要，其潜在意义也扩展到其他应用领域。
大量研究已经探讨了表面形态对材料机械性能的影响。人们普遍认为，粗糙和突变的表面形态对拉伸性能有害[11]。Jin[12]通过拉伸实验明确指出，点蚀腐蚀的程度与材料的机械性能成反比。Sheng等人[13]也研究了点蚀腐蚀对钢材拉伸性能的影响，结果表明腐蚀坑会导致过早断裂并引发脆性特征。拉伸强度与截面积有关，而延伸率则受到坑的分布和几何尺寸的影响。此外，Wang等人[14]得出结论，材料的机械性能不仅与体积损失程度（DOV）有关，还受到坑的形状的影响，因为坑会改变周围区域的应力分布。在公式（1）中，V0和Vc分别代表样品的初始体积和由腐蚀引起的体积损失。
许多形态特征都会影响机械性能。除了坑的形状外，Chen等人[15]还指出，它们的方向角也是一个重要因素。随着方向角的增加，坑引起的应力集中和塑性应变也会发生变化。
与拉伸性能相比，疲劳性能对表面形态更为敏感。为了更好地量化表面形态对疲劳性能的影响，研究人员引入了应力集中系数（Kt）作为一个重要参数。Yao等人[16]对Ti60合金的研究表明，表面粗糙度的增加显著提高了Kt，从而促进了疲劳裂纹的起始并加速了失效。他们还指出，与Ra相比，Kt提供了更准确的疲劳寿命表征。Bakir等人[17]进一步证实，表面处理带来的疲劳寿命改善与Kt的降低直接相关，表明较低的Kt对应于更强的疲劳抵抗力。Dong等人[18]研究了飞秒激光钻孔对DD9高温合金的影响。他们结合有限元模拟来计算Kt，结果显示，孔加工后Kt从1.92增加到2.65，与对照组相比。应力集中的显著增加导致了疲劳性能的下降。具体来说，试样的疲劳极限从500 MPa降至407 MPa。
此外，在对带缺口试样的疲劳寿命预测中，研究人员观察到使用Kt的分析结果往往过于保守。出现这种情况是因为当材料表面的高应力区域发生塑性变形时，由于应力水平较低而仍处于弹性阶段的相邻区域可以有效支撑高应力区域，从而延缓疲劳裂纹的起始和扩展[19]。这种情况表明，形态对疲劳性能的影响不仅取决于最大应力，还取决于其他因素，如缺口周围的应力分布。鉴于缺口效应的复杂性，已经开发出多种理论方法来分析带缺口部件的疲劳行为。Ye等人[20]提出了一种基于应力梯度的缺口分析方法，并证明了其在疲劳寿命预测中的高准确性。Ma等人[21]使用改进的临界平面方法和耦合应力梯度校正因子建立了预测模型，并展示了该模型在预测TC4和GH4169带缺口试样的疲劳寿命方面的优异性能。总之，在研究表面形态对拉伸和疲劳性能的影响方面已经取得了实质性进展。然而，在表面形态和机械性能方面，尤其是考虑到微结构在形状上的多样性和复杂性，相关研究相对较少。
鉴于相关研究在微结构应用中的重要性，本研究选择了超疏水和抗菌表面领域中常用的六种微结构类型作为研究对象，包括圆形突起、方形坑、水平条纹等。为了在316L不锈钢表面制造这些微结构，我们进行了三因素、三水平的正交实验以优化激光加工参数。然后进行了拉伸和疲劳实验，以全面探讨各种微结构类型对机械性能的影响并选择最佳方案。此外，通过结合有限元模拟和断裂形态分析，阐明了微结构效应的潜在机制。
实验样品
本研究选择316L不锈钢作为实验材料。为了有效评估样品表面微结构对316L不锈钢机械性能的影响，所有样品在尺寸上进行了标准化，并设计成狗骨形状。图1显示了样品的具体尺寸，总长度为105毫米，宽度为12毫米，厚度为2.9毫米。此外，样品的横截面长度为
飞秒激光加工参数的选择
本研究进行了三因素、三水平的正交实验，以选择合适的加工参数，用于制造各种类型的微结构。正交实验的目标是制造直径为100微米的圆形微结构，采用间距为10微米的网格填充图案。考虑到激光扫描次数会影响微结构的深度，实验统一使用了三次扫描。表1显示了具体的设计和
影响拉伸性能的因素
在研究拉伸强度之前，所有样品的应力-应变曲线都被近似处理，因为拉伸应力较小，应力集中可以忽略不计，样品仍处于均匀变形状态。这一发现与Songbo等人的研究结果一致[29]。随着拉伸应力和应变的增加，微结构的影响变得更加明显。拉伸强度和相应的工程性能都出现了下降
结论
本研究选择了六种常用的微结构（包括水平条纹、方形坑和圆形突起），来研究微结构类型对316L不锈钢拉伸性能和疲劳性能的影响。微结构由于引入了体积损失和应力集中效应，导致拉伸强度和延伸率降低，其中体积损失起到了主导作用。具有方形突起的样品表现出最显著的降低
作者贡献声明
汤宽鑫：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、项目规划、方法论、研究设计、资金获取、正式分析、数据管理、概念构思。王超：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、软件使用、正式分析、数据管理。冯泽明：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、监督、软件使用、数据管理、概念构思。蔡玉奎：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本研究得到了山东省重点研发计划（2025CXGC010216）的支持。研究还得到了国家自然科学基金（52475473）和济南科学技术局（202333034）的资助。作者还感谢山东省高等学校青年学者科技创新团队（2020KJB001）、山东大学高效清洁机械制造重点实验室的支持
