Fatigue behavior of additively manufactured AlSi10Mg alloys; an assessment of the surface roughness effect

Design of load-carrying components obtained by additive manufacturing and subjected to cyclic load is still at its early stages. This is due to the fact that the fatigue behavior of these components influenced by a wide range of factors synergistically, such as the effect of surface quality, microstructural defects, layer orientation, residual stress, heat treatment, and geometry and size. Among the aforementioned variables, a deeper understanding of the surface roughness effect is crucial because one can imagine that AM components will be in the future used with less and less post-processing and machining the complex geometries or parts including internal features is not always possible or cost-effective. As a consequence as-built surfaces should be analyzed and optimized in order to improve the functionality of components (fatigue, tribology, etc.). In this study, the effect of surface roughness as the result of different build orientations on fatigue behavior of as-built AlSi10Mg alloys have been investigated. Experimental fatigue tests outcomes along the surface quality assessment of specimens with different build orientations proved that there is no strong correlation between maximum depth of valleys Rv (obtained by Stylus) and fatigue limit distributions, therefore, the surface quality of AM parts can not be fully expressed by typical roughness parameters. Into the bargain, the mean value of roughness Ra disproved any specific trend with respect to fatigue limit distribution. On the other hand, defect-based modeling and adopting the concept of extreme values defined correctly the variation in fatigue performance of samples. The life of these components accurately predicted based on a suitable description of Kitagawa diagram and Equivalent Initial Flaw Size (EIFS). Verification of EIFS and life prediction models were carried out by comparing them to defects at fracture origins and experimental fatigue life data points respectively. Fatigue life assessment based on EIFS showed promising and well-grounded results for all series of specimens.

La progettazione di componenti portanti ottenuta dall’ additive manufacturing e soggetta a carico ciclico, è ancora nelle sue fasi iniziali. Ciò è dovuto al fatto che il comportamento a fatica di questi componenti è influenzato da una vasta gamma di fattori che agiscono contemporaneamente, come l’effetto della qualità della superficie, i difetti microstrutturali, l’orientamento del layer, lo sforzo residuo, il trattamento termico, la geometria e le dimensioni. Tra le variabili sopra menzionate, una comprensione più profonda dell’effetto di rugosità superficiale è cruciale perché si può immaginare che in futuro i componenti AM verranno utilizzati sempre con meno post-processing e le lavorazioni delle geometrie complesse o delle parti, comprese le features interne, non sono sempre possibili o economicamente sostenibili. Di conseguenza, le superfici asbuilt devono essere analizzate e ottimizzate al fine di migliorare la funzionalità dei componenti (fatica, tribologia, ecc.). In questo studio, è stato analizzato l’effetto della rugosità superficiale come risultato di diversi orientamenti di layers e sul comportamento a fatica delle leghe AlSi10Mg. I risultati dei test di fatica sperimentale lungo la valutazione della qualità superficiale dei campioni con diversi orientamenti di layer hanno dimostrato che non esiste una forte correlazione tra la profondità massima delle valli Rv (ottenuta dallo Stylus) e le distribuzioni dei limiti di fatica, pertanto la qualità superficiale delle parti AM non può essere pienamente espressa dai parametri tipici di rugosità. Inoltre, il valore medio di rugosità Ra ha smentito qualsiasi tendenza specifica rispetto alla distribuzione del limite di fatica. D’altra parte, la modellazione basata sui difetti e l’adozione del concetto di valore estremo hanno definito correttamente la variazione delle prestazioni a fatica dei campioni. La durata di questi componenti è stata predetta con precisione sulla base di una descrizione adeguata del diagramma di Kitagawa e della Equivalent Initial Flaw Size (EIFS). La verifica dell’EIFS e dei modelli di previsione della vita sono stati effettuati confrontandoli rispettivamente con i difetti alle origini della frattura e i dati sulla vita a fatica sperimentale. La valutazione della vita a fatica basata su EIFS ha mostrato risultati promettenti e affidabili per tutte le serie di campioni.