金属材料的疲劳性能研究

第16卷第1期精密成形工程代俊林1，吴世品1,2*，张宇1，王雪娇1，马强3（1.天津职业技术师范大学，天津 300072；2.天津大学现代连接技术实验中心，天津 300350；3.天津金桥焊材集团有限公司，天津 300399）摘要：金属增材制造作为前沿热点制造技术之一，近年来在各种重要工业领域的研究和应用日益广泛。

利用增材制造技术制备金属材料的过程中，不可避免会造成材料表面粗糙、气孔、未熔合等缺陷，虽然工艺技术的改进可以在一定程度上减小缺陷程度，但至今仍无法完全消除这些缺陷。

增材制造金属材料的过程中，缺陷部位通常会成为应力集中源诱发疲劳裂纹的形核，造成金属材料的疲劳寿命下降。

首先从表面质量、内部缺陷及微观结构等方面阐述了增材制造金属材料疲劳性能的影响因素；其次从宏观与微观角度概括了疲劳裂纹萌生/扩展机理的研究现状与进展；总结了热处理、表面优化、电磁辅助以及超声辅助等疲劳延寿技术的研究进展；最后讨论了基于机器学习技术的疲劳寿命评估模型，同时展望了机器学习和人工智能技术在增材制造金属材料领域的应用前景，为推动增材制造金属材料的发展和应用提供了借鉴与参考价值。

关键词：增材制造；金属材料；缺陷；疲劳寿命；疲劳裂纹；疲劳寿命评估DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2024.01.001中图分类号：TG456 文献标志码：A 文章编号：1674-6457(2024)01-0001-14Research Progress on Fatigue Properties of Additive Manufactured Metal MaterialsDAI Junlin1, WU Shipin1,2*, ZHANG Yu1, WANG Xuejiao1, MA Qiang3(1. Tianjin University of Technology and Education, Tianjin 300072, China; 2. Center for Advanced Joining Technology, TianjinUniversity, Tianjin 300350, China; 3. Tianjin Golden Bridge Welding Materials Group Co., Ltd., Tianjin 300399, China)ABSTRACT: Metal additive manufacturing, also known as one of the prominent manufacturing technologies, has garnered sig-nificant attention and has been extensively investigated and used across diverse crucial industrial sectors in recent times. The additive manufacturing method inherently gives rise to various defects, including but not limited to surface roughness, porosity, and lack of fusion. Despite advancement in process technology, it remains unfeasible to entirely eradicate defects, but can reduce defects to a certain amount. During the additive manufacturing of metal materials, the defective parts usually become the source of stress concentration and induce fatigue crack nucleation, resulting in a decrease in the fatigue life of metal materials. The fac-tors affecting the fatigue performance of metals produced by additive manufacturing were described firstly from the surface quality, internal defects, and microstructure. Secondly, the research progress of fatigue crack initiation and expansion mecha-nism was summarized from the macroscopic and microscopic perspectives. Then, the current progress of fatigue life-extension收稿日期：2023-08-26Received：2023-08-26基金项目：天津市教委科研计划项目（2020KJ104）Fund：Tianjin Municipal Education Commission Scientific Research Program Projects (2020KJ104)引文格式：代俊林, 吴世品, 张宇, 等. 增材制造金属材料的疲劳性能研究进展[J]. 精密成形工程, 2024, 16(1): 1-13.DAI Junlin, WU Shipin, ZHANG Yu, et al. Research Progress on Fatigue Properties of Additive Manufactured Metal Materials[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(1): 1-13.*通信作者（Corresponding author）2精 密 成 形 工 程 2024年1月techniques such as heat treatment, surface optimization, electromagnetic-assisted and ultrasonic-assisted techniques were intro-duced. Finally, the fatigue life evaluation model utilizing machine learning technology was further examined, along with the po-tential application of machine learning and artificial intelligence technology in the domain of additive manufacturing of metal materials, providing experience and reference value for advancing the progress and utilization of metal additive manufacturing. KEY WORDS: additive manufacturing; metal materials; defects; fatigue life; fatigue cracks; fatigue life evaluation增材制造（Additive Manufacturing ，AM ）作为现代制造领域前沿热点技术之一，是一种通过计算机辅助设备建立数字模型并逐层堆积材料用以完成最终所需产品的现代制造工艺方法[1-2]。

温度对金属疲劳性能的影响研究金属疲劳是一种常见的金属材料失效形式，对工程结构的可靠性和安全性有很大影响。

温度是影响金属疲劳性能的重要因素之一。

本文将探讨温度对金属疲劳性能的影响，并分析其中的机理。

疲劳寿命是评定金属材料疲劳性能的重要指标。

一般来说，提高温度会显著降低金属材料的疲劳寿命。

这是因为高温下金属的晶界活动会增加，导致材料的局部塑性变形加剧，从而加速疲劳裂纹萌生和扩展的过程。

此外，高温下材料的强度和硬度通常会降低，使得金属材料更容易受到力的作用而发生变形和失效。

研究表明，金属材料的疲劳寿命会随着温度的升高而迅速下降。

例如，以常见的工程金属钢为例，当温度从室温升高到500摄氏度时，其疲劳寿命可能会大幅度降低数倍。

这意味着在高温环境中，金属材料更容易发生疲劳失效，对结构的可靠性构成威胁。

除了温度对金属疲劳寿命的影响外，温度也会改变金属材料的疲劳断口形貌。

在室温下，金属的疲劳断口通常呈现出典型的沿晶断裂特征，这是由于晶界是金属材料中的弱点，容易形成疲劳裂纹。

然而，在高温环境中，由于晶界活动增强，晶界塑性变形加剧，金属疲劳断裂往往会呈现出具有大量扩展形变的穿晶断裂特征。

这种变化也是温度影响下金属疲劳性能变化的体现。

温度对金属疲劳性能的影响机理主要有两个方面。

首先，高温下晶界的活动性增加会导致金属材料的塑性变形加剧，疲劳裂纹萌生和扩展的速度加快。

其次，高温环境下金属材料的强度和硬度降低，使其更容易受到应力的作用而产生塑性变形。

这两个机制共同作用，使得金属材料的疲劳寿命显著降低。

在实际工程中，对于要在高温环境下使用的金属材料，必须充分考虑其疲劳性能在高温下的变化。

一方面，可以通过提高材料的抗热疲劳性能来减轻温度对金属疲劳性能的影响。

例如，增加合金元素的含量、调整材料的晶界特性等，都可以提高金属材料的高温疲劳寿命。

另一方面，可以通过控制温度、降低应力水平等手段来减少金属材料在高温环境下的疲劳失效风险。

总之，温度是影响金属疲劳性能的重要因素之一。

金属疲劳实验方法成组法金属疲劳实验方法-成组法引言：金属材料的疲劳寿命是指在一定的应力水平下，材料在循环加载下发生疲劳破坏之前所能承受的循环载荷次数。

研究金属疲劳寿命对于工程结构的设计和使用具有重要意义。

成组法是一种常用的金属疲劳实验方法，本文将对成组法的原理、实验步骤和应用进行介绍。

一、原理成组法是通过将多个试样按一定的规则分组进行循环加载，以模拟实际工程中的疲劳载荷情况，从而获取金属材料的疲劳寿命。

该方法的原理是通过试样间的应力状态和载荷频率的差异，引起不同试样的疲劳寿命差异。

通过统计多组试样的疲劳寿命数据，可以获得金属材料的疲劳寿命曲线和可靠度。

二、实验步骤1. 试样制备：根据实验要求和金属材料的特性，制备一定数量的试样。

试样的形状和尺寸应符合标准规范，以保证实验结果的可靠性和可比性。

2. 分组设计：根据实验要求和试样的数量，设计成若干组，每组试样的数量可以相同也可以不同。

一般情况下，每组试样的数量不少于3个，以保证实验数据的可靠性。

3. 载荷设定：根据实验要求和金属材料的特性，确定载荷水平和载荷频率。

载荷水平表示试样所承受的最大应力值，载荷频率表示单位时间内施加的循环次数。

载荷水平和载荷频率的选择应符合实际工程的应用条件。

4. 实验执行：按照设计的分组和载荷设定，对每组试样进行循环加载实验。

实验过程中，需要记录试样的载荷历程和破坏次数，以便后续的数据处理和分析。

5. 数据处理：根据实验结果，统计每组试样的疲劳寿命数据。

可以使用生命表分析、概率统计等方法对数据进行处理，得到金属材料的疲劳寿命曲线和可靠度。

三、应用成组法是金属疲劳实验中常用的方法之一，广泛应用于工程材料的疲劳性能研究和工程结构的疲劳寿命评估。

具体应用包括：1. 材料筛选：通过成组法可以对不同材料进行疲劳寿命的比较，从而选择最适合工程应用的材料。

2. 试验验证：成组法可以验证材料的疲劳寿命曲线和可靠度，为工程设计提供依据。

3. 结构评估：通过成组法可以评估工程结构的疲劳寿命，为结构维护和安全管理提供参考。

铝合金材料的疲劳性能测试研究在现代制造业中，铝合金材料被广泛应用于多种领域，如航空航天、汽车制造、建筑工程等。

铝合金材料的强度和重量比例高，可耐高温、耐腐蚀、可塑性和韧性好，成为了现代工业中不可或缺的材料之一。

然而，与其他材料一样，铝合金材料也存在着使用寿命和疲劳性能的问题。

疲劳是指在受到反复加载和卸载的情况下，产生的材料损伤，最终导致裂纹、分离和失效。

对于工程领域中的材料来说，疲劳失效对结构的稳定性和可靠性具有重要影响。

因此，研究材料的疲劳性能是保证工程结构安全和可靠的必要条件。

铝合金材料的疲劳性能测试是评估材料疲劳强度和失效寿命的标准化测试方法。

通过进行疲劳性能测试，可以评估材料在不同工作负荷下的疲劳寿命和适用条件，以了解材料的疲劳特点和机制并提高工程结构的安全性。

目前，常见的铝合金材料疲劳性能测试方法主要包括拉伸疲劳试验和弯曲疲劳试验。

拉伸疲劳试验是通过施加周期性的拉力来破坏试样，以分析抗拉疲劳强度和疲劳寿命。

而弯曲疲劳试验则是通过周期性的弯曲负载来破坏试样，以分析其抗弯曲疲劳强度和疲劳寿命。

不同的铝合金材料在疲劳性能测试中表现出不同的特点。

例如，铝-锂合金的疲劳性能较好，其拉伸疲劳寿命比纯铝增加约30％，而弯曲疲劳寿命比纯铝高出60％，这是由于铝-锂合金的强度和硬度高且具有良好的可塑性和韧性所致。

相比之下，铝-镁合金的疲劳性能比较差，其拉伸疲劳强度和疲劳寿命都比纯铝低，但弯曲疲劳强度和寿命则比纯铝高出一些。

此外，铝合金材料的疲劳性能还受到多种因素的影响，如材料的化学成分、微观结构、热处理工艺、表面处理等因素，以及不同应变率、温度和湿度等试验条件的影响。

因此，在进行铝合金材料的疲劳性能测试时，需要根据具体情况设计合适的试验方法和模拟参数。

同时，也需要对测试结果进行充分的分析和解释，以了解铝合金材料的疲劳特性和机制。

总之，铝合金材料的疲劳性能测试是保证工程结构稳定性和可靠性的重要手段。

通过对材料的疲劳性能进行测试和研究，可以为材料的优化设计和工程结构的可靠性保证提供重要参考。

材料疲劳实验报告1. 实验目的材料疲劳实验是为了研究材料在长期重复加载下的性能变化规律，探究材料的疲劳寿命及疲劳行为。

本次实验旨在通过不同载荷条件下对金属材料进行疲劳实验，分析其疲劳寿命及疲劳失效模式。

2. 实验原理疲劳材料学认为，在材料受到交变载荷作用时，由于局部应力和变形的聚焦作用，会造成材料内部微小损伤积累，最终导致材料疲劳失效。

实验中常用的参数包括应力幅、载荷周期、载荷频率等。

3. 实验设备及材料本次实验采用了一台电子疲劳试验机，可实现不同载荷条件下的疲劳加载。

实验材料选用了工业中常见的金属材料，如钢、铝等，以进行疲劳实验。

4. 实验方法（1）根据实验要求确定不同载荷条件下的疲劳试验方案，包括载荷幅值、载荷周期等参数；（2）将待测材料制备成标准试样，并在试验机上装夹好；（3）依据设定的疲劳试验方案进行试验，并根据试验机读数记录实验数据；（4）当达到设定的疲劳寿命或发生疲劳失效时停止试验，记录试验结果。

5. 实验结果及分析经过一系列的疲劳实验，我们得到了不同载荷条件下金属材料的疲劳寿命数据。

通过对数据进行分析，我们可以发现随着载荷幅值的增加，材料的疲劳寿命逐渐减小，疲劳失效模式也呈现出明显的变化。

此外，不同金属材料在疲劳实验中表现出不同的特性，例如某一种金属在高强度载荷下疲劳寿命更长等。

6. 实验结论通过本次材料疲劳实验，我们深入了解了材料在疲劳加载下的性能表现及疲劳寿命规律。

我们可以通过调整载荷条件来延长材料的疲劳寿命，提高其耐久性。

疲劳实验为材料科学领域的研究提供了重要的参考依据。

7. 结语本次实验不仅增进了我们对材料疲劳行为的认识，同时也对未来的相关研究工作起到了积极的推动作用。

期待通过更多的研究和实验，为材料科学领域的发展做出更大的贡献。

超高温工况下金属材料的热疲劳性能研究在现代工业中，金属材料在高温环境下的应用越来越广泛。

然而，超高温工况下金属材料的热疲劳性能成为了研究的重要课题。

本文将针对此问题展开讨论。

首先，了解热疲劳的概念是非常重要的。

热疲劳是指材料在高温环境下受到热负荷作用，导致材料发生塑性变形、疲劳剥落、裂纹扩展等损伤的现象。

这种热负荷不仅来自于外部环境，也可以是材料本身的热循环。

因此，研究热疲劳性能对于确保金属材料的安全可靠运行至关重要。

其次，超高温工况下，金属材料的热疲劳研究主要集中在两方面。

一方面是应力水平对热疲劳寿命的影响，另一方面是材料性能对热疲劳行为的影响。

首先，应力水平是影响材料热疲劳寿命的重要因素。

在高温下，材料容易发生塑性变形，应力水平会加速材料的疲劳损伤。

因此，研究应力水平对热疲劳寿命的影响，可以为实际工程中的应用提供可靠的依据。

其次，材料的性能对热疲劳寿命也有着重要的影响。

例如，材料的化学成分、晶体结构以及缺陷密度等都会对材料的热疲劳行为产生重要影响。

近年来，研究人员通过合金化、表面处理等手段，改善材料的性能，提高其热疲劳寿命。

因此，深入研究材料的性能对热疲劳行为的影响，对于提高材料的热疲劳寿命至关重要。

在热疲劳性能研究中，还需要考虑到工程应用时的实际环境因素。

例如，金属材料在航空航天领域的应用中，需要考虑到空气中的氧、水蒸气等因素对材料的影响。

这些因素可能引起氧化、腐蚀等问题，对材料的热疲劳性能产生影响。

因此，在研究中需要考虑到实际工程环境中的各种因素，为材料的设计与选择提供更准确的依据。

近年来，随着计算机技术的快速发展，数值模拟成为研究热疲劳问题的重要手段。

通过建立合适的力学本构模型和热传导模型，可以对材料的热疲劳行为进行数值模拟，为实验设计提供指导，并提供更为详细的短时刻载荷下的热疲劳响应。

因此，数值模拟成为研究超高温工况下金属材料热疲劳性能的重要工具。

在实验研究中，使用高温试验设备进行热疲劳试验。

金属材料的疲劳性能
金属材料是工程结构中常用的材料之一，其在使用过程中会受到循环载荷作用，极易发生疲劳破坏。

因此，研究金属材料的疲劳性能对于提高工程结构的可靠性和安全性具有重要意义。

疲劳失效
概念
疲劳失效是指在循环载荷的作用下，材料在较小应力水平下发生裂纹并最终导致破坏的现象。

相比于静态载荷下的破坏，疲劳失效具有突发性和难以预测性。

影响因素
应力幅值
循环次数
加工和制造缺陷
材料缺陷
疲劳性能评定
S-N曲线
S-N曲线是描述材料在不同应力水平下经历不同循环次数后的疲
劳寿命的图示曲线。

通过S-N曲线可以评定材料在特定应力水平下的
疲劳性能。

疲劳极限
疲劳极限是指材料在特定条件下所能承受的最高循环载荷，超过
这个载荷将会导致材料的疲劳失效。

疲劳极限是评定材料抗疲劳性能
的重要参数之一。

提高金属材料的疲劳性能
表面处理
通过表面处理方法如喷丸、镀层等可以有效提高金属材料的表面
质量和抗裂纹扩展能力，从而提高其抗疲劳性能。

热处理
采用适当的热处理工艺，如淬火、回火等可以改善金属组织结构，消除内部应力集中，提高金属材料的抗疲劳性能。

材料改进
采用先进的合金设计和制备技术，选择合适的合金元素配比和显
微组织形态，可以显著提高金属材料的疲劳寿命。

结语
金属材料的疲劳性能是工程结构安全性和可靠性的重要保证。

通
过对金属材料疲劳失效机制和影响因素的深入理解，以及针对性的改
进手段，可以有效提高金属材料的疲劳性能，推动工程结构向更安全、更可靠的方向发展。

难熔金属基复合材料的疲劳性能研究难熔金属基复合材料是一种具有很高熔点和高强度的材料，其疲劳性能对于材料的可靠性和使用寿命至关重要。

本文将对难熔金属基复合材料的疲劳性能进行深入研究，并探讨其影响因素和改进措施。

首先，我们需要了解难熔金属基复合材料的组成和制备方法。

难熔金属基复合材料一般由金属基体和难熔金属纤维增强相组成。

金属基体通常选择铝合金、镍合金或钛合金等，而难熔金属纤维增强相可以是碳化钨、碳化钛等。

制备难熔金属基复合材料的方法包括化学气相沉积、等离子熔射和纳米粉末冶金等。

难熔金属基复合材料的疲劳性能受到多种因素的影响。

首先是材料的组织结构和成分。

难熔金属基复合材料中的金属基体和纤维增强相之间的界面结合情况对疲劳性能的影响很大。

较弱的界面结合会导致界面剥离和断裂，降低材料的疲劳强度和寿命。

其次是材料的晶体结构和缺陷状况。

晶界和位错对材料的疲劳行为有重要影响，晶界弯曲、位错聚集等可以导致疲劳裂纹的萌生和扩展。

此外，温度和应力条件也是疲劳性能的重要因素，高温和高应力会加速材料的疲劳失效。

为了提高难熔金属基复合材料的疲劳性能，可以采取以下措施。

首先，优化材料的组织结构和成分。

通过改进界面结合方式、增加界面结合强度、控制纤维增强相的分布等方式来提高材料的疲劳强度和寿命。

其次，改善材料的晶体结构和缺陷状态。

通过控制晶界和位错的分布、消除缺陷和夹杂物等方式来减少疲劳裂纹的萌生和扩展。

此外，选择合适的温度和应力条件，避免材料在高温和高应力环境下的疲劳失效。

研究难熔金属基复合材料的疲劳性能可以采用多种实验方法和数值模拟方法。

实验方法包括疲劳试验、金相观察、断口分析等，可以获得疲劳曲线、疲劳裂纹的形貌和分布等信息。

数值模拟方法可以通过建立材料的有限元模型，模拟疲劳载荷下材料的应力和应变分布，预测疲劳寿命和疲劳裂纹的扩展情况。

实验方法和数值模拟方法可以互相补充，共同揭示难熔金属基复合材料的疲劳机制和性能。

难熔金属基复合材料的疲劳性能研究对于材料的应用和发展具有重要意义。

增材制造金属材料的疲劳性能研究综述1增材制造技术简介增材制造(addictivemanufacturing,以下简称AM)即为人们熟知的3D打卬技术，其原理可概括为•分层制造，逐层叠加”。

与传统的制造方法如铳刨磨(通常被称为减材制造)相比，AM具有很多优势，如无材料浪费、可制造复杂几何形状零件等。

金属AM的类别包括：定向能量沉积(DED),粉末床熔敷(PBF) 和薄板层压(SL)o DED用于修理和翻新金属零件及大规模制造，PBF 用于生产需要高分辨率和严格的建造精度的复杂几何形状，而SL具有连接异种金属以生产具有特定性能的部件的能力。

2增材制造材料的宏观特性和微观结构AM材料以光聚合物和热塑材料为主，金属AM由于面临问题众多，例如生产效率、质量稳定性、成本控制方面不能满足商业化生产需求，导致其占比很小，但近年来，金属AM在航空航天等领域的高速发展使其成为AM的一个发展方向。

钛及钛合金可制造高性能零件，但传统加工成本高、时间长，AM致力于解决这些问题，是金属AM应用最广的材料，目前用于航空航天的TI-6AI-4V正被广泛研究。

Ti-6AI-4V在室温下由V稳定的体心立方堆积p相和AI稳定的密排六方堆积c(相组成。

AM的Ti-6AI-4V具有精细的网状组织，这是因为在AM a程中，材料经历复杂的热循环，这涉及到高于熔化温度的快速加热和在热源移动之后熔融材料的快速凝固，以及大量的重新加热和重新冷却，导致所形成微观结构不平衡，即AM材料常常表现出各向异性，这使得其微观结构的建模具有挑战。

3疲劳性能分析3.1疲劳性能的研究价值金属AM零件在应用中的关注点是其抗疲劳性，为了在零件中采用AM技术，疲劳载荷下的材料性能必须量化且可重复。

布兰德尔等人使用计算机断层扫描技术来识别材料缺陷，并使用线性弹性断裂力学软件来模拟这些缺陷对AM Ti-6AI-4V疲劳寿命的影响。

这些表明断裂力学的方法可用于评估AM金属及合金的性能，对量化且评估AM零件材料性能都具有指导意义。