Page 100 - 机械工程材料2024年第十一期

张 杰，等：成形试样形状和尺寸对激光选区熔化成形钛合金残余应力的影响

样内部压应力的分布跨度分别为15.5 mm（约为厚度 试样内部残余压应力的分布形状与其切割面形
的70%）和9 mm（为厚度的90%）；10 mm厚板状试 状相似，这是试样的自拘束状态导致的。柱状试样
样的压应力峰值（240 MPa）约为22 mm厚板状试样 各方向的自拘束度一致，形成了内部圆形压应力分
压应力峰值（约440 MPa）的1/2。可见，板状试样在 布形式；板状试样的宽度和厚度尺寸不同，各方向的
厚度减薄后， y方向中心线上的压应力分布跨度和峰 拘束度不一致，造成内部压应力和表层拉应力在这
值均降低。由图7（b） 可以看出，两种板状试样在x 两个方向上的分布跨度均不一致。两种板状试样的
方向(宽度方向）中心线上的残余应力分布趋势基本 宽度基本一致，因此x方向中心线上的压应力分布跨
一致，压应力分布跨度基本相同，10 mm厚板状试样 度基本一致；厚度差距较大，较小厚度试样y方向中
的压应力峰值（220 MPa左右）约为22 mm厚板状试 心线上的压应力分布跨度较小。此外，直径较大柱
样压应力峰值（约420 MPa）的1/2，说明当SLM增 状试样和厚度较大板状试样的拘束度大，因此内部
材制造TC4钛合金板状试样宽度变化不大时，其厚 压应力峰值大。综上可知，SLM直接成形试样的内
度大小对内部x方向中心线上的压应力分布跨度没 部压应力分布及大小受试样形状及尺寸影响大，可
有影响，仅造成压应力幅值变化。 归因于成形不同形状和尺寸试样时的拘束度不同。
800 22 mm 1 200 22 mm
10 mm 10 mm
600 15.5 1 000
800
z向残余应力/MPa 200 0 中心线 z向残余应力/MPa 600 0 中心线
400
9
400
200
-200
-400 -200
-400
-600 -600
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
距离/mm 距离/mm
(a) y方向 (b) x方向
图 7 不同厚度板状试样切割面不同方向中心线上的 z 向残余应力分布曲线
Fig. 7 Distribution curves of z-directional residual stress along different-directional centerline on cutting surface of plate specimens with
different thicknesses: (a) y-direction and (b) x-direction

3 结 论 CHEN Z K，JIANG J X，WANG Y J，et al. Defects，
microstructures and mechanical properties of materials
（1）采用轮廓法测得SLM成形TC4钛合金试样
fabricated by metal additive manufacturing［J］. Chinese
的内部z向（成形方向）残余应力均为压应力，表层 Journal of Theoretical and Applied Mechanics，2021，53
则为拉应力，内部压应力分布形状与切割面形状相 （12）：3190-3205.
似，柱状试样呈近圆形，板状试样呈近矩形。 ［2］ NICKEL A H，BARNETT D M，PRINZ F B.

（2） 较大直径（16 mm）柱状试样切割面上的压 Thermal stresses and deposition patterns in layered
应力幅值大于较小直径（7 mm）疲劳试样；与20 mm manufacturing［J］. Materials Science and Engineering：A，
厚板状试样相比，10 mm厚板状试样的内部压应力 2001，317（1/2）：59-64.
［3］ WITHERS P J. Residual stress and its role in

在厚度方向中心线上的分布跨度和幅值降低，在宽
failure［J］. Reports on Progress in Physics，2007，70（12）：
度方向中心线上的分布跨度基本不变，但压应力峰
2211-2264.
值降低约1/2。内部压应力分布形状和幅值受试样

［4］ VRANCKEN B，CAIN V，KNUTSEN R，et al.
形状和尺寸影响较大，可归因为不同形状和尺寸试
Residual stress via the contour method in compact tension
样在成形过程中的拘束度不同。 specimens produced via selective laser melting［J］.
Scripta Materialia，2014，87：29-32.
参考文献：

［5］ LIU Y，YANG Y Q，WANG D. A study on the residual
［1］ 陈泽坤，蒋佳希，王宇嘉，等. 金属增材制造中的缺陷、 stress during selective laser melting （SLM）of metallic

组织形貌和成形材料力学性能［J］. 力学学报，2021， powder［J］. The International Journal of Advanced
53（12）：3190-3205. Manufacturing Technology，2016，87（1）：647-656.
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