这项工作的目的是研究用电弧增材制造(WAAM)技术制造的ER100S-1低碳钢试样的单轴、扭转和多轴疲劳特性，WAAM是定向能沉积(DED)技术的一个分支。测试了两种不同的试样方向——垂直和水平，分别与WAAM沉积层垂直和平行提取。在扫描电镜下对试样断口进行分析，观察不同试样取向、不同疲劳加载条件下的断裂机制，并对试验疲劳结果进行解释。最后，将得到的应力寿命结果与文献中提供的一系列变形和waam结构钢试件的疲劳数据进行了比较。并与DNV标准中推荐的海上焊接结构疲劳设计曲线进行了对比。试验结果表明，与其他结构钢的性能相比，waam制造的ER100S-1试件具有优势，并且根据DNV标准中提供的设计曲线保守地预测了其疲劳寿命。
增材制造(AM)是一种相对较新的方法，通过分层添加材料直接从3D计算机模型制造产品，其中每层是相应3D模型的薄截面[1]。这种技术不需要任何昂贵的模具和与传统制造程序相关的生产计划。因此，它提供了制造自由，最终产品形式的复杂性不会影响制造过程。由于这个过程是基于一层一层地添加材料，而不是从一块材料中去除或减去材料，因此它更具可持续性，并大大减少了材料浪费。尽管所有增材制造机器都使用基于层的方法，但最终产品的特性将取决于沉积工艺、层厚度、所使用的材料等。这种差异会影响尺寸精度、材料性能和力学行为[2]。
定向能沉积(DED)工艺通常被称为“金属沉积”技术，它通过在沉积过程中熔化材料来制造零件。电弧增材制造(WAAM)是一种将金属丝送入并熔化用于沉积的DED工艺。它允许通过熔化和混合不同成分的电线来制造功能梯度组件。WAAM技术可以实现全致密零件，具有可控的微结构特征[3]。与基于粉末的技术相比，WAAM对简单和笨重的结构最有效，没有许多厚度变化，精度要求较低。在所有增材制造方法中，WAAM的沉积速率最高(最高可达5 - 8kg /h，具体取决于所使用的材料)，而基于粉末的工艺只能提供高达55g /h[3,4]。因此，与传统制造方法相比，制造时间可缩短40-60%，加工后时间可缩短20%[3]。此外，WAAM工艺被设计为无孔，牺牲了尺寸精度[5]。另一方面，由于该工艺的焊接性质，新技术的所有优点与以下常见缺陷特征相平衡:锁定残余应力，表面光洁度差，变形，分层等[6]。因此，通常需要一些后处理来解决上述问题，例如对WAAM壁面的加工、热处理和机械处理。此外，在制造过程中，加热和冷却的重复循环会导致WAAM零件的微观结构变化和各向异性行为[7,8,9,10]。
工程结构和机械的大部分失效都是由疲劳引起的[11]。此类故障通常在没有任何预警的情况下发生，因此可能带来灾难性的后果。因此，材料的疲劳是现代工业中任何一种新材料和制造技术的必要研究。这包括各种复杂的力学测试，研究疲劳损伤的不同阶段，以控制成核裂纹并防止最终的疲劳失效[12]。话虽如此，疲劳评估对于由焊接缺陷和拉伸残余应力组成的增材制造部件至关重要，这是导致疲劳失效的两个主要因素[13]。一些行业，如航空航天和汽车，已经引入并正在广泛实施增材制造工艺。因此，大多数关于AM(特别是WAAM)疲劳性能的报告数据都是针对钛[6,14,15,16,17]和不锈钢[18,19]。然而，关于结构钢的信息有限，这是在其他工业部门推广增材制造技术所必需的，包括土木工程、可再生能源和海上结构。
在Dirisu等人之前的工作中[20]，他们进行了疲劳试验，研究了ER70S-6 waam制成的犬骨平试件在水平方向(即沿沉积层)提取的破坏行为。三种不同的试样类型被检查:建成，建成与轧制表面处理应用，和机械加工。所有试件均为纯单轴加载，加载比R=0.1。试验结果表明，与其他两种表面光洁度较差的成品试样相比，加工后的试件具有更高的疲劳强度，证实了表面光滑可以延长疲劳寿命。然而，与预制试样相比，轧制表面处理也是提高试样疲劳寿命的有效方法。Bartsch等[13]对G3Si1WAAM制成的犬骨标本进行了研究。在载荷比R=0.1的单轴疲劳载荷下，对两种不同长度的试件进行了试验。同样，发现表面波纹度作为应力上升管，是影响试件寿命的主要影响因素。
从以上的文献综述中可以看出，对于waam建造的结构钢试件，仅生成了少量的疲劳性能数据集，且仅涵盖了单轴疲劳加载条件。为了填补这方面的知识空白，本研究开展了ER100S-1 waam建造的试件在不同循环加载条件下的疲劳行为研究。目前的研究包括在单轴、扭转和多轴加载条件下的广泛疲劳分析，生成应力-寿命图。此外，在本研究中考虑的每个循环加载条件下，测试了疲劳寿命对试样提取方向的敏感性。并将所得数据与现有的常规结构钢试件疲劳数据和国际标准中推荐的焊接结构设计曲线进行了比较。最后，在显微镜下仔细观察断裂试样的断裂面，以更好地了解不同取向试样在不同疲劳加载条件下的内在破坏机制。
对采用WAAM工艺制作的试样进行了疲劳试验。采用B?hler Welding ER100S-1[21]低碳钢丝制作4块WAAM壁，化学成分见表1。基于冷金属转移(CMT)的WAAM系统采用表2中突出显示的制造参数，这些参数在制造过程中保持不变，以最大限度地减少沉积层和所有建墙之间的微观结构变化。自动WAAM-CMT系统设置如图1a所示，其中包括带有安装的线轴的CMT电源，通过火炬同时提供电线和保护气体的预编程机械臂，固定底板的工作台，以及位于制造区域上方的排气扇，以消除过程中产生的多余热量和烟雾。底板由EN10025变形轧制结构钢板切割而成，尺寸为420 × 200 × 12mm3。它用八个夹子固定在工作台上，以尽量减少由于高制造温度而导致的板和WAAM壁的弯曲和变形。在释放夹钳和完成壁沉积之前，允许壁冷却到环境温度的时间。在底板中间以振荡方式沉积加层[22]，以获得所需厚度24 mm(图1a中y轴)，壁长约355 mm (x轴)和高度140 mm (z轴)。
表1 ER100S-1材料化学成分(wt.-%) [21]
表2 CMT-WAAM制作参数
图1
WAAM-CMT系统设置，具有从建筑墙壁提取样品的示意图，以及b圆柱形样品尺寸
采用电火花加工(EDM)工艺从制造的ER100S-1 WAAM壁中提取了60个光滑的圆棒(SB)样品。圆杆试件按照ASTM E466标准设计[23]，尺寸如图1b所示。如图1a所示为一面墙的提取方案示意图，从图中可以看出，试样沿两个不同的方向切割:沿z轴垂直(V)和沿x轴和沉积层水平(H)，对构建方向的疲劳响应进行敏感性分析。
本研究进行了三种类型的疲劳试验:单轴、扭转和多轴。所有试验均使用MTS标志性伺服液压机进行，负载控制模式下，最大负载能力为100 kN。各试验的试验参数为:频率为20 Hz，载荷比R=0.01。多轴疲劳试验采用同相加载，Ф=0°，双轴比λ=1。分别对垂直和水平试件进行W?hler曲线，对每种加载类型(单轴、扭转和多轴)平均测试10个试件，记录每个试验用例的最大应力σmax和破坏循环次数。在本研究中，试样经受2 × 106次循环，被认为是运行。然后使用Basquin关系分析收集的测试数据，使用幂律表达式将循环次数与循环应力范围联系起来。在这个方程中，A和B是材料相关系数，可以通过对实验数据进行最佳拟合得到。
随后，根据ASTM E739-10[24]和BS ISO 12107:2003[25]标准中定义的程序，通过绘制10%(上限)、50%(平均曲线)和90%(下限)存活频带概率来分析疲劳数据。确定了各应力-疲劳寿命图的反斜率k=1/B、散点指数Tσ和疲劳强度。在此分析中，Tσ计算为10%和90%生存概率对应的应力水平之比。
通过显微分析不同取向试样在不同疲劳载荷条件下(单轴、扭转和多轴)的破坏机理。采用FEI量子650 FEG扫描电子显微镜(SEM)进行断口形貌检查。为了直接比较不同取向试样疲劳试验后的断口表面，选择承受相似载荷水平的试样进行死后分析。然后将断口分析记录的观察结果与实验疲劳数据相关联，以准确解释waam制造的ER100S-1试样在不同疲劳载荷类型下不同取向的疲劳寿命评估。
摘要。
1 介绍
2 试样制备过程
3 实验和分析程序
4 测试结果和讨论
5 金相分析
6 结论
数据可用性
缩写
参考文献。
致谢。
作者信息
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根据3.1节所述的程序，对ER100S-1 WAAM试样在不同加载类型和试样取向下获得的疲劳数据进行了分析，绘制了图2所示对数-对数轴上的最大应力与破坏次数的关系，并确定了疲劳特性:2 × 106次循环时的疲劳强度，Δσ50%，散射指数Tσ和反斜率因子k，总结于表3。竖向试件的单轴疲劳数据见图2a，水平试件见图2b，两种趋势的直接对比见图2c。两种试样取向的跳动数据表明，合金在应力-寿命图(即耐久极限σe)的低应力值处呈现平稳状态。试验数据表明，竖向试件的耐久极限在600 ~ 575 MPa之间，水平试件的耐久极限在575 ~ 550 MPa之间。因此，试件垂直和水平方向的耐久极限相似，均在4.1%以内，垂直方向的耐久极限略高。Ermakova等[26]的研究表明，不同取向的waam构建的ER100S-1试件屈服强度和极限抗拉强度值非常相似(差异小于1%);因此，得到的趋势得到了证实，并反映在本研究的单轴疲劳极限值中。值得注意的是，竖向和水平试件的耐受力极限均高于材料的屈服强度，分别为536 MPa和538 MPa。对比图2c中不同试件方向的最大应力与循环次数对破坏曲线的影响可以看出，竖向试件曲线的斜率比水平试件曲线的斜率更陡;这也可以从水平方向的试样的反斜率系数中看出，该系数是水平方向试样的1.2倍，见表3。从表中还可以看出，单轴试验获得的数据集的散点指数对于不同方向的试样具有可比性，仅相差2.3%。最后，绘制的数据显示，在低周次下，两种试样取向在单轴疲劳加载条件下表现出相似的行为;然而，随着循环次数的增加，趋势发生了变化。
图2
ER100S-1试件a-c轴向、d-f扭转、g-i多轴试验疲劳数据
表3 ER100S-1试件疲劳性能
对图2d-f所示扭转疲劳结果的评估表明，扭转疲劳趋势与试样的取向无关，并且相互叠加，扭转疲劳强度相同，为457 MPa。两条曲线的斜率仅相差1.3%，数据点在高应力值处略有分离，在低应力值处逐渐收敛。然而，水平试样的散射指数(表3)比垂直试样高11.4%。两种试样取向的相似扭转疲劳行为也可归因于材料的相似拉伸特性，包括其延性[26]。
waam制造的ER100S-1试件的多轴疲劳结果如图2g -1所示。从图中可以看出，垂直和水平样本数据集的50%存活率曲线几乎是平行的，垂直曲线落在水平曲线之上。两种趋势的反斜率因子相差5.7%，并且与扭转疲劳结果中观察到的模式相似，两条曲线向低应力(高周)疲劳结果收敛。竖向试件的多轴疲劳强度为356 MPa，比水平试件的342 MPa高3.9%;从表3中总结的散点指数可以看出，所获得的数据集中，水平样本的散点比垂直样本的散点高3.8%。
然后将获得的垂直和水平试件的所有疲劳试验数据集进行对比，如图3所示。从图中可以看出，从单轴疲劳到扭转，材料的整体疲劳强度呈下降趋势，从扭转到多轴疲劳试验结果也是如此。从表3中总结的数值来看，ER100S-1 WAAM构件的平均疲劳强度(即垂直和水平试件的疲劳强度平均值)在扭转试验中比单轴试验中获得的平均疲劳极限下降了22.2%，在多轴施加应力下获得的结果进一步下降了23.6%。由此得出结论，waam制造的ER100S-1试件的疲劳强度与所施加的疲劳加载条件的类型有很大关系，正如预期的那样。从图3中可以观察到的另一个现象是，扭转和多轴疲劳试验数据的斜率几乎彼此平行，而对于单轴疲劳试验，斜率大约是两倍。因此，在纯单轴加载条件下的试验中，向高周疲劳区施加应力值的减小更为明显。此外，从不同试样取向获得的数据分析表明，结果的可变性可以忽略不计，纯单轴试验的最大变化范围在4.1%以内，因此可以认为材料对构建试样取向的疲劳性能不敏感。然而，从图3的趋势可以看出，在扭转和多轴疲劳加载条件下，竖向试件的平均曲线即使差异很小，也高于水平。另一方面，单轴试验结果表明，在48,700 ~ 255,300次循环范围内，水平试件的平均曲线高于垂直试件，否则垂直试件的疲劳寿命更高。已有研究报道，在某些测试场景(断裂韧性[26]和疲劳裂纹扩展[27])中，ER100S-1 WAAM构建试件对构建方向不敏感，但其性能高度依赖于提取位置(WAAM壁的顶部或底部)。因此，ER100S-1 WAAM试样的疲劳性能对试样提取位置的敏感性还需要在今后的工作中进行进一步的研究。
图3
ER100S-1 WAAM试件疲劳试验数据比较
通过将本研究获得的WAAM ER100S-1的50%单轴疲劳破坏带(即平均曲线)的性能与DNV RP-C203标准[28]推荐的用于连续焊接和表面打磨的结构的S-N疲劳C1设计曲线进行比较，进一步分析了WAAM ER100S-1在海上结构中的应用。这种比较的结果在图4中用对数-对数轴表示。从图中可以看出，垂直和水平方向的试样方向趋势都落在DNV推荐的标准C1设计曲线之上。此外，测试材料在比标准中建议的高得多的应力范围值和更少的循环次数下显示出疲劳耐久性极限。与DNV C1曲线相比，实验曲线的斜率更小。综上所述，该标准提出的应力寿命图提供了纯单轴加载条件下ER100S-1 WAAM试件的保守估计。因此，这种材料和制造技术可用于海上结构的生产和维修。
图4
WAAM ER100S-1试件单轴疲劳数据与DNV C1推荐设计曲线的比较
与文献中其他结构钢的单轴、扭转和多轴疲劳性能数据进行了广泛的比较。考虑到材料的疲劳行为在很大程度上取决于试验参数，如载荷比R和试件设计[29,30]，所有收集到的不同载荷比下的数据都使用有效应力σeff模型归一化成单个疲劳图，定义为这个概念是为了直接比较来自不同研究的疲劳数据而发明的[31];然而，它没有考虑不同加载频率的影响。因此，在接下来的比较中，不同疲劳频率和试样设计的影响是有限的。
（1）
将ER100S-1 WAAM试样的平均单轴疲劳图与文献中可用的S355锻钢试样的有限数据集进行了比较。S355是一种结构钢，通常用于可再生能源领域的海上结构制造[32,33]。因此，这种比较将有助于更好地了解waam制造的组件对海洋可再生能源应用的适用性。单轴疲劳数据被用于比较包括:从大狗骨头S355标本测试获得的数据在R=0.1 Anandavijayan et al。[34],测试的数据较小的狗骨头S355标本检查在R=?1 Corigliano et al .[35],圆条的数据S355标本Dantas本人交出密码等评估在R=0.01。[36]和R=?1 Aeran et al。[37],最后的数据填角焊十字形S355标本测试在R=0叫et al。[38]。Atzori等[39]在R=?1时对圆柱形C40碳钢试样进行变形生成的S-N曲线也与文献数据进行了比较。除了waam制作标本的有限研究结果外，Dirisu等人[20]在R=0.1下测试的ER70S-6犬扁平骨标本和Bartsch等人[13]在R=0.1下测试的两种不同标本设计的G3Si1(表面粗糙)犬扁平骨标本也被纳入与文献数据的比较。将上述数据集归一化为有效应力(见式)，并在图5a中以对数-对数轴表示。从图中可以看出，从ER100S-1 WAAM试样中获得的疲劳结果高于从文献中收集的S355, C40和WAAM ER70S-6和G3Si1钢的变形数据。ER100S-1单轴疲劳曲线的斜率与S355和WAAM G3Si1试件的一些应力-寿命曲线相似。此外，由于ER100S-1试件的疲劳耐力极限，即使在较高的循环次数下，垂直方向和水平方向的数据集也不会越过S-N曲线的其余部分。然而，这里必须指出的是，ER100S-1材料的屈服强度和极限抗拉强度相对高于任何材料。因此，预计单轴疲劳性能也会更好。
图5
WAAM ER100S-1的疲劳数据与文献中关于钢的单轴、b轴和c轴疲劳试验数据的比较
由于文献中有关结构钢的数据有限，本比较研究仅收集和呈现了少量关于扭转和多轴疲劳的数据集。在扭转和多轴疲劳加载条件下，本研究结果与文献数据在对数-对数轴上的有效应力与失效循环次数的对比分别如图5b、c所示。Atzori等[39]对C40碳钢圆棒试件进行了扭转加载比为R=-1、多轴加载条件下R=0的性能试验。另一项研究提供了Berto等人在R=?1时评估的圆棒状39NiCrMo3钢试样的一些数据[40]。此外，还加入了Dantas等人[36]在R=0.01条件下测试的S355圆杆试件的多轴疲劳曲线进行比较。本分析中所有多轴疲劳数据的双轴比为λ=1，同相加载角为Ф=0°。从图5b、c中可以看出，与单轴疲劳情况类似，扭转和多轴寿命评估结果高于文献数据。C40和39NiCrMo3钢在扭转疲劳条件下的趋势与本研究得到的ER100S-1 WAAM试样的趋势相似。此外，发现ER100S-1的多轴行为与S355锻钢的数据相似。
通过SEM对试样进行微观组织分析，发现waam - ER100S-1试样表面几乎没有缺陷，在20 μm以下有少量缺陷。对试样进行断口学评估，检查断口表面，确定不同取向试样在不同疲劳载荷条件下(即单轴、扭转和多轴)的破坏机制差异。图6显示了在最大应力为650 MPa的纯单轴疲劳下(a)垂直和(b)水平试样的两个断口。在两个断口上都可以观察到四个明显的裂纹扩展阶段:1裂纹形核点、2裂纹扩展、不稳定疲劳裂纹扩展导致的3延性破坏和快速断裂导致的4延性破坏。此外，图6a中垂直试样的断裂面有两个成核点，两个裂纹在平行平面上同时萌生，然后在扩展区域汇合为一个裂纹，如图2所示。图中白色箭头表示两个试样中裂纹扩展的方向。两种情况下的裂纹萌生都是由表面的不规则性引起的。水平试样的疲劳寿命是垂直试样的2倍，这可能是由于垂直试样的两个初始裂纹形核导致了试样的早期最终破坏。在高倍镜下对裂纹扩展区域的观察表明，从一种晶粒到另一种晶粒的转变导致了单个晶粒取向不同导致的断口面变化。此外，在两种试样的裂纹起裂区和扩展区(黄色箭头所示)都可以看到与裂纹扩展方向平行的疲劳条纹。此外，在两个试样的裂纹扩展扩展区域2中，可以观察到拉长的断裂特征(用黄色虚线突出)，这表明了裂纹的扩展方向。纵向和水平试样在区域1的断面均呈现较浅的韧性特征，而在区域2，韧窝变大变深，并可见次生裂纹。综上所述，在不同的提取方向下，试样的破坏机制没有明显差异。此外，分析过程中发现了相似的断裂特征，这与ER100S-1 WAAM垂直和水平试件相似的单轴疲劳和力学性能相吻合。
图6
ER100S-1 WAAM试样在单轴疲劳加载条件下的断裂面进行了纵向和横向试验
在最大应力为550mpa的纯扭转疲劳条件下，垂直和水平ER100S-1 WAAM试样的两个断口分别如图7a、b所示。从图中可以看出，在这两种情况下，断口的外径都不是完全平坦的，由一系列的斜面组成，即所谓的“工厂屋顶”形态[40,41]，这些斜面是由于扭转疲劳(III模式下的面外剪切)的存在而形成的，在i模式下转变为明显的倾斜特征。通过相互摩擦两个断裂面来消除断裂特征。对于水平试样，损伤区域要小得多(约为整个断裂面的一半)，并且位于断裂面的中心。这也体现在到失效的循环次数上，水平试件比垂直试件低1.2倍。剩余的疲劳断裂特征区域是试件在I型加载条件下最终破坏的结果，形成了一个级联的疲劳断裂面，如图7中区域1所示。仔细观察该区域，可以发现延性疲劳切面(区域1中的黄色箭头)，在较低的放大倍数下呈现为河流图案(区域1中的白色箭头)。在两个试样的断口边缘附近观察到另一个有趣的疲劳特征——扁平的“鱼骨”特征群，代表垂直于试样的断裂边缘(区域2中的黄色箭头)，由于最初的短裂纹扩展而形成的更小、更少的延性切面。
图7
ER100S-1 WAAM试样在扭转疲劳加载条件下的断裂面进行了纵向和横向试验
最后，对先前在最大应力为450 MPa的多轴疲劳加载条件下试件的两个断口进行了检查，如图8a所示为垂直断裂，(b)为水平断裂。与扭转作用下的试样相似，图8中断裂面边缘并不平坦，呈现出一定的“工厂屋顶”形态，在ⅰ型和ⅲ型断裂加载条件下，断裂面形成斜面。大约60%的断裂面(A区)显示出磨损和磨损的证据，发生在III型面外剪切机制下。在该区域发现了两个主要的疲劳特征，并用黄色箭头突出显示:1 -疲劳条纹，2 -“鱼骨”菌落，代表试样断裂边缘附近的大条纹。后一种特征出现在纯拉伸和多轴疲劳下的试样中，因此是在模式III下产生扭转断裂机制的证据。剩余的断裂面积如B所示，是由于试样在快速断裂中最终破坏，形成相应的杯状和锥形。
图8
在多轴疲劳加载条件下，ER100S-1 WAAM试样的断裂面进行了纵向和横向试验
在waam制造的ER100S-1试样上进行了一系列疲劳试验，该试样沿垂直和水平两种不同方向提取。通过开发应力-寿命图来检查试件的单轴、扭转和多轴疲劳行为。本研究得出以下观察和结论:
WAAM ER100S-1试件的单轴、扭转和多轴疲劳性能与试件取向无关。
与单轴试验结果相比，扭转试验获得的材料疲劳强度下降22.2%;在多轴疲劳载荷作用下，提高了23.6%。
与其他结构钢(包括海上结构中常用的S355钢)相比，WAAM ER100S-1试件的单轴、扭转和多轴疲劳趋势显示出优越的性能。
采用DNV C1标准设计曲线可以保守预测ER100S-1型waam材料的S-N疲劳行为。
检测的waam构建的试样几乎没有缺陷，只有小于20 μm的小缺陷。对6个试件的断裂面进行了研究，发现每种疲劳载荷类型的试件具有共同的疲劳特征，竖向和水平方向的试件之间没有显著差异。
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