17-4PH不銹鋼擠出成形制品的疲勞性能

關鍵詞：金屬材料擠出成形；預測模型;疲勞性能;拉伸性能;填充角度；成形方向中圖分類號：TG142.71DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2025.07.021 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Fatigue Property of 17-4PH Products Fabricated via Metal Material Extrusion Technique

JIANG Shijie1，2*CAI Shanggang1YING Hongwei1CHEN Jiaqi1 1.School of Mechanical Engineering amp; Automation，Northeastern University，Shenyang，110819 2.Key Laboratory of Dynamics Reliability of Mechanical Equipment of Liaoning Province， Shenyang，110819

Abstract： With the expansion of the application rangs of metal material extrusion products，it was urgent to investigate their fatigue property to ensure the reliability and safety. A damage fatigue life prediction model for metal material extrusion sintered products was established considering forming orientations and filling angles.Metal material extrusion sintered specimens with diferent forming orientations and filing angles were fabricated，and their density， shrinkage rate，tensile property and fatigue property were studied. The results show that the errors between predicted and measured fatigue life are as from 1.50% to 11.83% ，which validates the correctness of the proposed model，while the shrinkage rate，tensile property，and fatigue property of the sintered specimens exhibite anisotropy.

Key words： metal material extrusion; prediction model; fatigue property; tensile property; filling angle;forming orientation

0 引言

金屬材料擠出成形（metalmaterialextru-sion，MME）技術是以金屬粉末/聚合物復合絲材為原料，先通過熔融沉積方式成形生壞，再經(jīng)脫脂和燒結（shaping-debinding-sintering，S-D-S）工藝獲得致密化純金屬零件的增材制造技術。該技術具有成本低、材料利用率高、設計自由度高、能耗低等諸多優(yōu)勢，在航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生和文化教育等領域具有巨大的應用和發(fā)展?jié)摿1-2]，受到越來越廣泛的關注。

為進一步推動該技術的發(fā)展和應用，國內(nèi)外研究人員對MME技術進行了大量深人的研究，并著重探究了過程參數(shù)對MME燒結制品的物理屬性和靜力學性能的影響[3-6]。實際工況下，零部件難免會承受周期性載荷或振動等動態(tài)載荷，因此研究MME零件的疲勞性能尤為重要。KED-ZIORA等使用MME技術制備了316L和17-4PH不銹鋼燒結試件，并進行了軸向疲勞試驗、表面粗糙度及硬度的分析，發(fā)現(xiàn)疲勞強度隨粗糙度的減小和硬度的增大而增大，且疲勞斷口平坦，沒有頸縮，為脆性斷裂。SPILLER等[8]使用MME技術制備316L不銹鋼燒結試件，拉伸疲勞試驗結果表明，316L不銹鋼燒結制品的疲勞極限低于鍛造制品，內(nèi)部孔隙等缺陷對疲勞壽命產(chǎn)生負面影響。JIANG等9使用MME技術制備了316L不銹鋼燒結試件，拉伸和彎曲疲勞試驗結果顯示，應力水平 120MPa 下的拉伸疲勞試件循環(huán)周次為 10⁵ ，應力水平 150MPa 下的彎曲疲勞試件循環(huán)周次為 1.37×10⁵ ；孔隙缺陷會加速拉伸疲勞裂紋擴展，但對彎曲疲勞載荷作用下伸疲勞裂紋擴展的影響較小。GHADIMI等[10]制備了不同成形方向的17-4PH不銹鋼燒結試件，并通過高周彎曲疲勞試驗探究了成形方向?qū)澢谛阅艿挠绊懀l(fā)現(xiàn)豎直方向試件的疲勞壽命低于水平方向試件。

綜上所述，針對MME增材制造技術的研究集中在燒結件的致密度、拉伸性能、硬度等靜力學性能，對其疲勞性能的研究尚不充分；現(xiàn)有研究以實驗測試為主，缺乏理論基礎。本文以Ultrafuse17-4PH復合絲材為原料成形不同方向和填充角度的燒結試件，并對其物理屬性（密度和收縮率）、拉伸及疲勞性能進行研究；創(chuàng)建了基于損傷演化的MME燒結制品疲勞壽命理論模型，以明確疲勞性能機理，進而提供準確的預測方法。

1理論研究

首先基于復合材料力學的層合板理論創(chuàng)建17-4PH不銹鋼燒結試件的彈性模量預測模型。然后結合試件的疲勞損傷演化方程，建立17-4PH不銹鋼燒結試件的疲勞壽命預測模型。之后對比分析理論結果與實驗結果來驗證理論模型的正確性。

1.1 彈性模量

MME燒結制品為正交各向異性的層合板結構，如圖1所示，圖中，“1”表示材料的主方向，“2”表示材料主方向的法線方向，材料主方向與 X 軸之間的夾角用 θ 表示。

圖1 兩種坐標系之間的關系

Fig.1 Relationship between two coordinatesystems

MME燒結制品的單層厚度遠小于長度和寬度，符合平面應力狀態(tài)的幾何條件，因此厚度方向的應力分量即 Z 向的正應力 σ_z ，以及1-2平面、2-Z平面內(nèi)的剪切應力 τ_1z 和 τ_2z 均為0。這種情況下，MME燒結制品薄層本構關系可表示為

Q₁₁=E₁/（1-ν₁₂ν₂₁）

Q₂₂=E₂/（1-ν₁₂ν₂₁）Q₆₆=G₁₂

Q₁₂=Q₂₁=ν₁₂E₂/（1-ν₁₂ν₂₁）=ν₂₁E₁/（1-ν₁₂ν₂₁）

式中： σ₁ 為材料沿1方向承受的正應力； σ₂ 為材料沿2方向承受的正應力； τ₁₂ 為作用于 O12 平面上的切應力； ε₁ 為材料在1方向上的正應變； ?ε₂ 為材料在2方向上的正應變， γ₁₂ 為材料在 O12 平面內(nèi)的切應變； E₁ 為水平方向 （0^° 填充）燒結試件平均彈性模量， ，E₁=51.36GPa;E₂ 為水平方向 （90^° 填充）燒結試件平均彈性模量 .E₂=E₉₀= 40.73GPa;G₁₂ 為剪切模量， .G₁₂=E₄₅/2=47.85/2= 23.925;ν₁₂，ν₂₁ 分別為O12坐標系下的主泊松比和副泊松比， u₁₂=0.34 ，ν₂₁=E₂ν₁₂/E₁=40.73×0.34/51.36= 0.27。

上述的薄層本構關系反映了MME燒結制品在薄層坐標系（ Γ_O12 坐標系）下的特定應力-應變行為，考慮MME燒結制品的正交各向異性，需要推導MME燒結制品在任意方向上的應力-應變關系。材料主方向與載荷方向不一致時， OXY 坐標系下的應力-應變關系可以表示為

（ 式中 ：σ_x 為材料沿 X 方向承受的正應力； 為材料沿 Y 方向承受的正應力； τ_xy 為作用于 OXY 平面上的切應力； ε_x 為材料在 X 方向上的正應變； ε_y 為材料在 Y 方向上的正應變； γ_xy 為材料在 OXY 平面內(nèi)的切應變； E_x 為材料在 X 方向的彈性模量； E_y 為材料在 Y 方向的彈性模量； G_xy 為偏軸剪切模量； u_xy、ν_yx 分別為 OXY 坐標系下主泊松比和副泊松比，νxyVyx=V12V21。

兩坐標系之間的應力關系為

[σ_xσ_yτ_xy]^T=S[σ₁σ₂τ₁₂]^T

式中： s 為應力坐標轉(zhuǎn)換矩陣。

兩坐標系之間的應變關系為

式中： c 為應變坐標轉(zhuǎn)換矩陣。

結合上述兩坐標間的應力應變關系得到材料主方向與載荷方向不一致時OXY坐標系下的應力-應變關系：

由于本文研究的拉伸模量為材料在 X 方向的彈性模量 E_x ，因此求解 即可得到 E_x 的表達式。聯(lián)立式（2）式（3）可得

（2由此求得

1.2 疲勞壽命

未受損傷材料的線彈性本構方程為

σ_ij=δ_ijλδ_klε_kl+2με_ij

式中： σ_ij、ε_ij 分別為應力分量和應變分量， i，j 用于標識σ_ij 和 ε_ij ，二維平面內(nèi)， i=1，2，j=1，2;σ₁₁ 為材料沿1方向承受的正應力； σ₂₂ 為材料沿2方向承受的正應力； σ₁₂ 為作用于 O12 平面上的切應力； δ_ij、δ_kl 為克羅內(nèi)克符號；k，l 為二階張量指標，用于確定克羅內(nèi)克符號的值； λ，μ 為拉梅常數(shù)。

疲勞載荷作用下，MME燒結制品內(nèi)部會產(chǎn)生疲勞損傷。生壞制品逐層打印、層層堆積的制造工藝導致不同方向的疲勞損傷演化是不同的，即疲勞損傷演化呈現(xiàn)各向異性。為表征MME燒結制品的疲勞損傷情況，引入損傷度[11]

D=1-E（n）/E

式中： E（n） 為復合材料在應力循環(huán)次數(shù)為 n 時的彈性模量； E 為復合材料在無損傷情況下的彈性模量。

理想情況下， D 的值介于0（未損傷）和1（完全損傷）之間。由此得到考慮損傷的拉梅常數(shù)

進而得到含損傷材料的本構關系：

σ_ij=（1-D）（δ_ijλδ_klε_kl+2με_ij）

疲勞損傷是能量耗散與熵增的不可逆過程[12]。介質(zhì)運動速度足夠小時，由熱力學第一定律得到的能量守恒方程為

式中： ε_ij^e 為彈性應變分量； ρ 為介質(zhì)密度； f 為單位質(zhì)量介質(zhì)自由能； T 為熱力學溫度； Y 為損傷驅(qū)動力。

考慮到 dε_ij^e/dt，dT/dt，dD/dt 的任意性，由式（3）可知

等溫過程中，單位體積的自由能 ρf 等于單位體積的應變能 W ，即

聯(lián)立式（6）、式（7）可得

改寫式（4）可得用應力分量表示的應變分量：

將 ε_Δij 代人式（7），得到應變能密度的表達式：

由此可得

利用損傷演化方程[12]表征MME制品在疲勞載荷加載過程中的損傷演化，即

式中： e，g，j 為材料參數(shù)（見表1）； Y_max 為最大損傷驅(qū)動力。

表1疲勞損傷參數(shù)

Tab.1 Fatigue damage parameters

注：F表示疲勞試件，上標數(shù)字為填充角度，下標 H 表示水平方向成形， ΔV 表示豎直方向成形。

單軸拉伸情況下，以應力表示的損傷演化方程為

式中： σ_max 為最大拉伸疲勞應力。

分離變量可得

上式兩邊分別對 D 和 N 積分可得

化簡上式可得和損傷相關的相應壽命演化方程：

從而得到壽命和最大應力之間的關系：

2實驗研究

制備了不同成形方向和填充角度的17-4PH不銹鋼生壞試件，通過S-D-S工藝獲得最終燒結試件。對燒結件進行拉伸實驗和疲勞實驗，研究成形方向和填充角度對燒結試件的拉伸性能和疲勞性能的影響規(guī)律。

2.1 試件制備

2.1.1 生壞件制備

以Ultrafuse17-4PH復合絲材為原材料，使用Ender-3S1Pro設備成形生壞件。拉伸試件和疲勞試件的尺寸設計參考ISO1099：2017金屬材料疲勞試驗軸向力控制方法標準，如圖2a所示。考慮到零件在燒結后的收縮， X，Y 及 Z 方向的生坯尺寸分別為設計尺寸的 119% 7 122.5% 及123.5% ，水平、豎直方向成形生壞件的尺寸如圖2b、圖2c所示。

圖2生壞件尺寸Fig.2The dimension of green specimens

為充分研究燒結試件的拉伸性能和疲勞性能，僅考慮成形方向和填充角度的影響，其余參數(shù)保持一致，即層厚為 0.2mm ，線寬為 0.4mm ，噴嘴直徑為 0.4mm ，成形速度為 15mm/s ，熔融溫度為 250°C ，床溫為 110°C ，擠出倍數(shù)為1，填充率 100% ，填充方式直線。制備了6組不同參數(shù)的生壞件，如圖3所示，具體成形參數(shù)如表2所示，相同參數(shù)的拉伸試件和疲勞試件的結構和尺寸均一致。

2.1.2 燒結件制備

對于Ultrafuse17-4PH復合絲材成形的生壞件，采用催化脫脂和熱脫脂去除黏合劑后再進行燒結的工藝處理。首先利用催化脫脂爐D20O-E進行催化脫脂，去除黏合劑中的主要成分聚甲醛。

圖3生壞件示意圖

Fig.3The diagram of green specimens

表2生壞件成形參數(shù)

Tab.2The processing parameters of green specimens

注：T表示拉伸試件，F(xiàn)表示疲勞試件；下標 ΔV 表示豎直方向成形，H表示水平方向成形。

整個催化脫脂過程中，持續(xù)向爐中同時通入流量不變的硝酸氣體 30mL/h） 和氮氣 （180L/h） ，并保溫 105^°C ，催化脫脂曲線如圖4所示。然后使用真空燒結爐S200-C進行熱脫脂與燒結，形成致密化純金屬零件。熱脫脂與燒結過程中，升溫過快，零件易出現(xiàn)鼓包、開裂等缺陷，因此需合理控制升溫速率。熱脫脂工藝采用 2^°C/min 的升溫速率，真空燒結工藝采用 2.5^°C/min 的升溫速率，分壓燒結工藝采用 1.7^°C/min 的升溫速率，熱脫脂和燒結過程在惰性氣體環(huán)境（氬氣或干氫）中進行，以避免零件發(fā)生氧化。

圖4脫脂和燒結曲線

Fig.4Thedebindingand sinteringcurve

2.2 試件性能測試

2.2.1 物理性能

使用固體密度計SJ-600G測量燒結試件的密度。利用游標卡尺分別測量生壞件和燒結件的三維尺寸，以分析確定各個方向的收縮率。

2.2.2 拉伸性能

根據(jù)ISO6892：2020金屬材料拉伸試驗室溫試驗方法標準，利用電液伺服疲勞試驗機（SHI-MADZUEHF-EV101K1-040-1A）進行靜態(tài)拉伸試驗，確定不同成形參數(shù)下試件的極限拉伸應力，進而確定拉伸疲勞實驗時的應力水平。拉伸試驗采用位移控制方式，加載速率設置為 2mm/min 。為避免夾緊力過大導致試件在夾持處出現(xiàn)破損、斷裂，將夾緊力設置為 1kN 。為確保試驗結果的準確性與可靠性，試件 T_v^°?T_H^°?T_H²³?T_H⁴⁵ 和 T_H⁹⁰ 均至少進行3次拉伸試驗，拉伸試件共計22個。

使用電子顯微鏡JT-H36O-4K觀測試件斷口形貌，通過斷口形貌特征，進一步了解斷裂機制。通常，脆性斷裂的斷口表面相對平滑，韌性斷裂的斷口出現(xiàn)韌窩、剪切唇等特征。

2.2.3 疲勞性能

根據(jù)ISO1099：2017金屬材料疲勞試驗軸向力控制方法標準，利用同一電液伺服疲勞試驗機進行試件的拉伸疲勞試驗，采用軸向力控制方式（加載波形為正弦波）。為確保試件和夾具的充分接觸，將應力比 R 設為0.1；為防止疲勞試驗機加載頻率過高導致試件的溫度變化超過閾值 10°C ，加載頻率 f 為 10Hz 的恒定頻率。

具體的疲勞試驗過程如下：確定斷裂周次在1000～15000 時的應力水平 σ₁ 。 σ₁ 根據(jù)極限抗拉強度 σ_b 確定，一般 σ₁=0.5σ_b 。根據(jù)試件在應力水平 σ₁ 的斷裂周次 N 選取 σ₂ ，若 N 接近1000，則令 σ₂=σ₁+α，σ₃=σ₁+2α ；若 N 接近15000，則令 σ₂=σ₁-α，σ₃=σ₁-2α ;若 N 接近7000，則令σ₂=σ₁-α，σ₃=σ₁+α ，其中， α=20，10MPa 。為確保試驗結果的準確性與可靠性，試件 F_V⁰?F_H⁰ 1F_H²³?_rF_H⁴⁵ 和 F_H⁹⁰ 分別在應力水平 σ^₁，σ^₂ 和 σ₃ 下各進行3次拉伸疲勞試驗，記錄每個應力水平下疲勞試件的壽命，疲勞試件共計48個。

3結果與討論

對17-4PH不銹鋼燒結試件的成形質(zhì)量進行了討論，分析了不同成形方向和填充角度燒結試件的密度、收縮率等關鍵參數(shù)，探討了成形方向和

填充角度對燒結試件拉伸性能和疲勞性能的影響。

3.1 成形質(zhì)量

圖5所示為不同成形方向和填充角度的生坯試件。成形后的生壞件沒有出現(xiàn)明顯的缺陷，表面平整，尺寸和形狀均達到設計要求。

圖5不同成形方向和填充角度的生坯件 Fig.5The green specimens with different forming orientations and fillingangles

圖6所示為不同成形方向和填充角度的燒結試件。燒結后的試件未出現(xiàn)膨脹或裂紋等缺陷，形狀保持較好，保留了生壞件成形時的填充紋理特征，這表明燒結工藝具備高度的可控性和穩(wěn)定性。

圖6不同成形方向和填充角度的燒結件 Fig.6The sintered specimens with different forming orientationsand fillingangles

3.2 物理屬性參數(shù)

對比生壞試樣，零件尺寸產(chǎn)生了明顯的各向異性收縮，試件 T_H^°/F_H^° 的 X 向尺寸收縮16.02%.Y 向尺寸收縮 19.05% 、 Z 向尺寸收縮21.08% ，可見沿纖維方向的收縮最小，垂直于纖維方向的收縮居中，豎直方向的收縮最大，與文獻[13結果一致，這是因為逐層累加的成形使生坯件相鄰纖維之間存在孔隙。從表3中可以看出，不同成形參數(shù)試件燒結后的密度有明顯差異，T_H⁰?F_H⁰ 試件的平均密度最大，為 7.280g/cm³ ，平均致密度為 93.57% ，最大密度為 7.421g/cm³ ，最大致密度為 95.39% T_V^° 、 F_V⁰ 試件平均密度最小，為 7.112g/cm³ ，平均致密度為 91.41% ，最大密度為 7.171g/cm³ ，最大致密度為 92.17% 。燒結后，不同成形參數(shù)參數(shù)試件沿 X，Y，Z 方向的收縮均不相同，這是由于試件孔隙延伸方向不同（與 X 軸的夾角分別為 0^°，23^°，45^°，68^° 和 90^° ）。燒結過程中，隨著孔隙減小，相應的試件會產(chǎn)生不同程度的尺寸收縮。

表3不同成形方向和填充角度的燒結試件物理屬性參數(shù)

Tab.3 Thephysical parameters of sintered specimens with different forming orientations and filing angle

3.3 拉伸性能

不同成形參數(shù)17-4PH不銹鋼燒結試件的拉伸斷口分別如圖7（宏觀）、圖8（微觀）所示。 T_H^° 試件纖維材料絲發(fā)生斷裂，斷口垂直于纖維材料絲方向，為不規(guī)則曲面，這是因為纖維材料絲具有一定的韌性和延展性，在軸向拉伸載荷作用下發(fā)生韌性斷裂。水平方向其他填充角度的試件材料絲發(fā)生分離破壞，沿纖維方向斷裂，斷口平整，斷裂形式為為脆性斷裂。 T_V^° 試件打印層之間發(fā)生分離破壞，斷口平行于打印層，斷口平整，斷裂形式為脆性斷裂。燒結試件內(nèi)部排列著大小不一的孔隙，這是因為ME逐層累加時堆疊的材料絲不能完全融合，燒結后這些孔隙會減小但不會完全消失。 T_H⁰ 試件的孔隙延申方向和斷口截面垂直， T_H⁰ 和 T_V^° 試件的孔隙延申方向與斷口截面平行，其余填充角度試件孔隙的延申方向與斷口截面成 β 角 （β=90^°-θ，θ 為填充角度）。

圖7不同成形方向和填充角度的燒結試件拉伸斷口 Fig.7The tensile fracture of sintered specimens with different formingorientationsand fillingangles

圖8不同成形方向和填充角度的拉伸斷口微觀形貌 Fig.8 Themicrostructureoftensilefracturesurfaces withdifferent formingorientationsand filling angles

圖9為17-4PH不銹鋼燒結試件的拉伸應力-應變關系曲線，同一顏色曲線表示試件在相同實驗參數(shù)下進行了重復的拉伸試驗。相同應變下， T_H^° 的拉伸應力比 T_V^° 大，且 T_H^° 的最大應力和最大應變均大于 T_V^° 。抗拉強度、彈性模量、斷裂伸長率具體數(shù)值如表4所示。 T_H^° 的拉伸性能（抗拉強度、彈性模量、斷裂伸長率）優(yōu)于 T_V⁰ 。 T_H⁰ 的極限抗拉強度為 721.96MPa （與文獻[14的極限抗拉強度 760MPa 接近，但低于文獻[15]的極限抗拉強度 939.5MPa ，極限彈性模量為52.05GPa ，極限斷裂伸長率為 0.75% 。 T_V⁰ 試件的極限抗拉強度為 623.94MPa ，極限彈性模量為49.88GPa ，極限斷裂伸長率為 0.69% 。 T_H^° 受拉時的試件強度取決于纖維材料絲，而 T_V^° 受拉時的試件強度取決于打印層界面強度，因此在軸向載荷作用下，纖維材料絲抵抗破壞的能力強于纖維材料絲黏結界面。

圖9不同成形方向的燒結試件拉伸應力-應變曲線Fig.9 Thetensilestress-straincurvewithdifferentforming orientations

表4不同成形方向的燒結試件拉伸性能

Tab.4The tensile performance of sintered specimens in different formingorientations

不同成形方向試件的拉伸性能呈各向異性，這是因為燒結后的試件內(nèi)部仍存在孔隙，且孔隙方向和生坯件成形方式密切相關，如圖10所示。T_H^° 的孔隙平行于拉伸載荷，這減小了孔隙對試件力學性能的影響。 T_V⁰ 的孔隙垂直于拉伸載荷，這使得裂紋更容易沿打印層擴展，從而顯著降低試件的力學性能。

圖10不同成形方向燒結試件內(nèi)部孔隙示意圖 Fig.10The internal porosity schematic diagram of sintered specimenswith different forming orientations

圖11所示為17-4PH不銹鋼燒結試件彈性模量的理論結果與實驗結果，二者的誤差為6.58%～10.91% ，在工程實踐允許范圍內(nèi)[16]

圖11不同填充角度燒結試件彈性模量的理論結果與實驗結果

Fig.11Theoretical results and experimental results of elasticmodulusonsintered specimenswithdifferentfilling angles

拉伸應力-應變曲線見圖12，同一顏色曲線表示試件在相同實驗參數(shù)下進行了重復的拉伸試驗。相同應變條件下， T_H^° 的拉伸應力最大， T_H⁶⁸ 的拉伸應力最小；填充角度由 0^° 增大至 68^° 時，試件的拉伸應力逐漸減小； T_H⁹⁰ 的拉伸應力略大于T_H⁶⁸ ；試件在拉伸過程中，最大應力和最大應變隨填充角度的變化與拉伸應力一致。

圖12 不同填充角度燒結試件的拉伸應力-應變曲線 Fig.12 Thetensilestress-straincurvewithdifferent filling angles

17-4PH不銹鋼燒結試件的抗拉強度、彈性模量及斷裂伸長率如表5所示。 T_H^° 的拉伸性能最好，極限抗拉強度為 721.96MPa ，極限彈性模量為 52.05GPa ，極限斷裂伸長率為 0.75% ： T_H⁶⁸ 的拉伸性能最差，極限抗拉強度為 244.72MPa .極限彈性模量為 41.22GPa ，極限斷裂伸長率為0.44% 。填充角度從 0^° 增大至 68^° 時，試件拉伸性能逐漸變差。 T_H⁹⁰ 的拉伸性能略好于 T_H⁶⁸ 。 T_H^° 受拉時的試件強度取決于纖維材料絲，而其余填充角度試件的強度取決于纖維層之間的黏結強度，因此在軸向載荷作用下， T_H^° 性能更好。

不同填充角度試件的拉伸性能呈各向異性，這是因為不同填充角度試件內(nèi)部孔隙的方向不同。試件 T_H⁰?T_H⁹⁰ 內(nèi)部孔隙和軸向拉伸載荷方向如圖13所示。 T_H^° 孔隙平行于拉伸方向，試件力學性能受孔隙影響小。 T_H⁹⁰ 孔隙垂直于拉伸方向，裂紋更易沿材料絲纖維層黏結界面萌生，孔隙使 T_H⁹⁰ 的力學性能明顯降低。

表5不同填充角度燒結試件的拉伸性能Tab.5 Tensile performance of sintered specimens withdifferent fillingangles

圖14不同成形方向和填充角度的燒結試件疲勞斷口

Fig.14The fatigue fracture of sintered specimens with different forming orientations and filling angles

圖15 不同成形方向燒結試件的疲勞壽命曲線 Fig.15 The fatigue life curve of sintered specimens with different forming orientations

5.94），對應的疲勞壽命為 8.71×10⁴ s。相同應力水平下， F_H⁰ 疲勞壽命遠大于 F_V⁰ 即 F_H⁰ 的疲勞性能優(yōu)于 F_V⁰ ，如表6所示。不同成形方向試件疲勞性能呈各向異性的原因與拉伸性能呈各向異性的原因一致。

圖13不同填充角度燒結試件內(nèi)部孔隙示意圖 Fig.13The internal porosity schematic diagram of sintered specimenswith different fillingangles

表6不同成形方向燒結試件的疲勞性能

Tab.6The fatigue performance of sintered specimens with different forming orientations

注： N_exp?N_pre 分別為實驗循環(huán)周次和理論循環(huán)周次。

3.4 疲勞性能

17-4PH不銹鋼燒結試件的疲勞斷口如圖14所示。斷口形貌特征和拉伸斷口一致是因為相同參數(shù)下制備的試件內(nèi)部缺陷特征相同，即孔隙排列方式一致。拉伸載荷和疲勞載荷作用方向一致，均為垂直于試件斷口截面方向的軸向載荷。

不同成形方向17-4PH不銹鋼燒結試件疲勞壽命曲線見圖15。疲勞壽命的理論結果與試驗結果偏差為 3.93%～11.83% ，在工程實踐允許范圍內(nèi)[17]。應力水平為 400MPa 時， F_V⁰ 試件的循環(huán)周次 N 為 ，對應的疲勞壽命為67.6s;F_H⁰ 試件的循環(huán)周次為 8.71×10⁵ （ lgN=

圖16為17-4PH不銹鋼燒結試件的疲勞壽命曲線。理論結果與試驗結果的相對誤差為1.50%～11.52% ，在工程實踐允許范圍內(nèi)[17]。應力水平為 320MPa 時， F_H²³ 試件的循環(huán)周次為4074（lgN=3.61） ，對應的疲勞壽命為 407.4s ：F_H⁰ 試件的循環(huán)周次為 7.41×10⁶ （ ），對應的疲勞壽命 7.41×10⁵ s。應力水平為240MPa 時， F_H⁴⁵ 試件的循環(huán)周次為 3802（lgN= 3.58）， F_H²³ 試件的循環(huán)周次為 3.89×10⁵（lgN= 5.59）。如表7所示，不同實驗的數(shù)據(jù)用分數(shù)線分隔。相同應力水平下， F_H⁰ 試件的疲勞壽命最長，F(xiàn)_H⁶⁸ 試件的疲勞壽命最短， F_H⁹⁰ 試件的疲勞壽命略長于 F_H⁶⁸ 試件的疲勞壽命；填充角由 0^° 增大至 68^° 時，試件疲勞壽命逐漸縮短，這表明試件的疲勞性能逐漸變差， F_H⁰ 試件的疲勞壽命的疲勞性能最好， F_H⁶⁸ 試件的疲勞性能最差， F_H⁹⁰ 試件的疲勞性能略好于 F_H⁶⁸ 試件的疲勞性能。

表7不同填充角度燒結試件疲勞性能

Tab.7Fatigue performance of sintered specimens with different filling angles

4結論

1燒結后試件的尺寸收縮呈各向異性，沿纖維方向的收縮最小，垂直于纖維方向的收縮較大，豎直方向的收縮最大。

2）軸向拉伸載荷作用下，水平方向 （0^° 填充）成形試件為纖維材料絲斷裂，斷口垂直于材料絲纖維方向，斷口表面為為不規(guī)則曲面，屬于韌性斷裂；水平方向其他填充角度 （23^°，45^°，68^°，90^°） 成形試件為材料絲之間的分離破壞，試件沿纖維方向斷裂，斷口平整，屬于脆性斷裂；豎直方向（ （0^° 填充）成形試件斷裂為打印層之間的分離破壞，斷口平行于打印層方向，斷口平整，屬于脆性斷裂。

3）彈性模量理論預測模型的相對誤差為6.58%～10.91% ，疲勞壽命理論預測模型的相對誤差為 1.50%～11.83% ，均在工程實踐允許范圍內(nèi)。模型正確可靠，能準確分析預測MME燒結制品的拉伸性能和疲勞性能。

4）MME燒結試件的拉伸性能和疲勞性能具有各向異性，水平方向（ 0^° 填充）成形試件明顯優(yōu)于豎直方向（ （0^° 填充）試件；水平方向 （0^° 填充）試件的拉伸性能和疲勞性能最好， 68^° 填充的試件最差， 90^° 填充的試件略好于 68^° 填充的試件；填充角度由 0^° 增大至 68^° 時，試件的拉伸性能和疲勞性能逐漸變差。

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作者簡介：姜世杰*，男，1985年生，副教授，博士。研究方向為熔絲成型增材制造技術。發(fā)表論文50余篇。E-mail：jiangsj@me.neu.edu.cn。

本文引用格式：

姜世杰，蔡尚港，英洪瑋，等.17-4PH不銹鋼擠出成形制品的疲勞性能[J].中國機械工程，2025，36（7）：1582-1591.JIANG Shijie，CAI Shanggang，YING Hongwei，et al. FatiguePropertyof17-4PHProductsFabricatedviaMetalMaterialEx-trusion TechniqueJ」.China Mechanical Engineering，2o25，36（7）：1582-1591.