《International Journal of Fatigue》：Extreme value statistics and fracture mechanics for assessing the effect of as-built surfaces on the fatigue thresholds of additively manufactured light alloys and steels
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对增材制造零件表面质量如何影响其疲劳行为的评估，对于保证结构的耐久性至关重要。本项研究应用了一种最近提出的断裂力学 (FM) 模型，该模型基于等效裂纹尺寸 (EFS) 的定义，考虑了原始表面对增材制造零件疲劳极限的削弱效应。研究目的是从光学轮廓术 (OP) 对
对增材制造零件表面质量如何影响其疲劳行为的评估，对于保证结构的耐久性至关重要。本项研究应用了一种最近提出的断裂力学 (FM) 模型，该模型基于等效裂纹尺寸 (EFS) 的定义，考虑了原始表面对增材制造零件疲劳极限的削弱效应。研究目的是从光学轮廓术 (OP) 对原始表面形貌的表征出发，进一步验证该模型。更详细地说，等效裂纹尺寸与原始表面最深处的表面微缺口相关联，该微缺口的深度是从光学轮廓术数据以及随后通过极值统计学 (EVS) 对各批次试样中微缺口分布的统计分析中估算得出的。该模型被应用于Scalmalloy?的未发表恒幅疲劳测试结果，以及取自文献的 Al-合金、Ti-合金和钢试样的额外实验数据，这些数据包含了残余应力的影响。疲劳阈值的理论估算值与实验值得出了良好的吻合，其中75%的数据集显示百分比误差低于20%，而整个数据集的最大偏差为26%。
增材制造 (AM) 技术在复杂几何形状零件的轻量化设计及减少材料浪费方面具有显著优势。为了充分发挥该技术在金属材料上的潜力，通常期望零件能保持净成形并保留原始 (AB) 粗糙表面，以减少昂贵且耗时的精加工过程。然而，对于广泛使用的基于激光粉末床熔融 (PBF-LB/M) 的增材制造工艺，其原始表面通常具有与逐层加工过程密切相关的明显粗糙度，这会对机械组件的结构耐久性产生不利影响。大量研究表明，在相同热处理条件下，处于原始表面状态的试样相比于机械加工试样的疲劳强度最低，其主要原因在于 AB 表面粗糙度带来的损害效应。评估这种损害效应通常需要进行广泛的实验测试。尽管文献中已有许多将原本用于锻造材料的线性弹性断裂力学 (LEFM) 方法调整后用于增材制造材料以估算疲劳极限的研究，但在评估增材制造零件疲劳性能时依然面临挑战。因此，探索精确评估表面粗糙度对疲劳性能影响的模型，并考量工艺诱发缺陷及残余应力等多种因素，具有重要的工程意义。
针对上述背景，研究人员开展了相关研究并将论文发表在《International Journal of Fatigue》。研究人员旨在进一步验证一种基于断裂力学的理论模型，该模型利用等效裂纹尺寸 (EFS) 概念结合 Atzori-Lazzarin-Meneghetti (ALM) 模型来评估增材制造零件的疲劳阈值。研究通过对 Scalmalloy? 试样进行疲劳测试，并结合文献中关于 AlSi10Mg、17-4PH 钢和 Ti6Al4V 钛合金的实验数据，深入探讨了 AB 表面形貌参数对疲劳阈值估算的影响，同时引入了表面残余应力因素进行修正。研究得出结论，通过结合极值统计学 (EVS) 估算最致命的表面微缺口，并利用 ALM 模型，可以较好地预测增材制造零件的疲劳阈值。该研究的重要意义在于提供了一种有效且精度较高的理论预测工具，能够在减少繁复物理实验的前提下保障增材制造结构件的疲劳安全可靠性。
为开展此项研究，研究人员采用了几项关键技术方法。首先通过光学轮廓术 (OP) 对 PBF-LB/M 制造的 Scalmalloy? 试样及文献试样的原始表面进行形貌测量，获取表面轮廓及三维面积数据，并应用不同截止波长的高斯滤波器分离表面波纹度与粗糙度以提取 Sv 和 Rv 等形貌参数。其次，运用极值统计学 (EVS) 结合 Wicksell 粒子问题理论，估计试样高应力体积内最大表面微缺口的尺寸分布。最后，依托 Atzori-Lazzarin-Meneghetti (ALM) 图表及 El Haddad-Smith-Topper 方程，将估算的等效裂纹尺寸输入断裂力学模型进行疲劳阈值的理论计算。实验疲劳数据来源于本研究制造的 Scalmalloy? 试样批次及文献中的多组公开发表数据集。
在静态与疲劳测试结果方面，通过对 Scalmalloy? 试样进行静态拉伸及 R = -1 的轴向恒幅疲劳测试，研究人员观察到其应力-应变曲线呈现典型的增材制造材料特性。通过修改的阶梯法测定该批次试样的实验疲劳阈值 Δσth/2 为 70 MPa，对应的转折点循环数 Nth 为 1.83×10^5。此外，对疲劳断裂面的观察表明，裂纹均萌生于表面粗糙度引起的微缺口处，证实了表面粗糙度是疲劳失效的主要原因，且未发现与次表面缺陷的相互作用。除了本研究测试的 Scalmalloy? 铝合金外，研究人员还收集了文献中关于 AlSi10Mg、17-4PH 钢和 Ti6Al4V 钛合金的实验数据，并对其表面粗糙度形貌参数进行了收集和归一化与分析以供后续模型验证使用。
在基于表面粗糙度测量的疲劳阈值估算方面，实验结果表明了滤波处理对估算结果有显著影响。对于本研究 Scalmalloy? 数据，当采用相同截止波长的滤波处理时，从面积和轮廓测量中得到的 Sv 和 Rv 参数符合 Gumbel 概率分布，且其 50 百分位数的等效裂纹尺寸 a 值差异极小，证实了两种测量方法在 EVS 分析中的兼容性。然而，采用标准推荐的 8 mm 截止波长滤除波纹度后，提取的粗糙度参数发生改变，进而导致不同滤波策略下计算出的疲劳阈值存在 14% 至 30% 不等的波动。进一步将文献中的实验疲劳数据进行收集并处理，初次不考虑残余应力时发现，大部分 Ti6Al4V 和 17-4PH 钢的数据点准确地落在模型百分之二十的误差带内，而这两种材料数据点由于不同程度残余应力的影响表现出一定的差异。为进一步提高预测准确性，研究人员按照 Sausto 等人的方法，根据线弹性理论计算了考虑表面残余应力 σRS 的有效应力比 Reff，并重新估算了各材料的疲劳极限和长裂纹应力强度因子阈值以修正理论模型。
论文总结讨论部分指出，本研究成功应用了基于表面粗糙度的断裂力学方法来评估多种增材制造轻合金和钢材的疲劳阈值。研究得出了以下重要结论：首先，当采用相同截止波长的高斯滤波时，分别基于光学轮廓术的面积参数和轮廓参数通过极值统计学推导出的最大表面微缺口尺寸具有良好的一致性。其次，直接采用相关国际标准推荐的截止长度处理表面轮廓能获得与未滤波数据相近的结果，这表明严格执行标准建议即等效于直接处理仅去除了形状特征的表面。更重要的是，若在理论模型中忽略残余应力的影响，铝合金数据的理论疲劳阈值往往会被严重高估，最大偏差达到了 63%，从而偏于不安全；而一旦引入有效应力比 Reff 来重新评估材料属性，ALM 模型的预测精度大幅提高，全数据集的最大百分比偏差可缩减至 26%，且百分之七十五的实验数据与模型预测的偏差均保持在百分之二十以内，验证了该综合评估方法的可行性与准确性。
