Влияние дефектов, возникающих в процессе WAAM, на усталостную прочность сталей 08ХМФА и 30ХГСА

Ю. Г. Кабалдин; М. С. Аносов; Ю. С. Мордовина; М. А. Чернигин; Р. Ш. Мансуров

doi:10.17073/0368-0797-2026-3-242-249

Влияние дефектов, возникающих в процессе WAAM, на усталостную прочность сталей 08ХМФА и 30ХГСА

Ю. Г. Кабалдин, М. С. Аносов, Ю. С. Мордовина, М. А. Чернигин, Р. Ш. Мансуров

https://doi.org/10.17073/0368-0797-2026-3-242-249

Полный текст:

PDF (Rus) HTML XML

сгенерировать QR код

Содержание

Перейти к:

Аннотация

На данный момент вопросы, касающиеся усталостного разрушения изделий, полученных с использованием аддитивных методов, в литературе встречаются достаточно редко. Особенно, если усталостное разрушение происходит в присутствии дефектов различного рода. Актуальность обусловлена риском преждевременного разрушения деталей под циклическими нагрузками, особенно в ответственных конструкциях (авиация, энергетика), где метод электродуговой наплавки (WAAM) может обеспечить экономию времени изготовления на 40 – 60 %. В данном исследовании оценивается влияние технологических дефектов на усталостную прочность сталей 08ХМФА и 30ХГСА, полученных методом WAAM. В процессе наплавки были изготовлены образцы из сталей 08ХМФА и 30ХГСА. Режимы наплавки варьировались для генерации различных дефектов: макродефекты (поры, непровары, поверхностные концентраторы), микроструктурные дефекты (видманштеттенова структура, разнозернистость и т. д.). Также были изготовлены бездефектные образцы. Для выявления микроструктуры металлов, а также распределения и характера возможных дефектов был проведен металлографический анализ. Травление образцов осуществлялось в 4 %-ном водном растворе HNO₃. Усталостные испытания проводились на специализированном стенде с нагружением образцов по схеме консольного изгиба. Наибольшую усталостную прочность показывают бездефектные образцы обеих сталей. Наличие любого рода дефектов (микроструктурных и макроструктурных) приводит к снижению усталостной прочности. Макроструктурные дефекты (крупные поры и непровары) оказывают более сильное влияние на усталостную прочность материала, чем микроструктурные дефекты материала. Также установлено, что наличие поверхностного концентратора оказывает большее влияние на формирование магистральной усталостной трещины, чем крупные несплавления в центральной области образцов.

Ключевые слова

усталостная прочность, WAAM, 30ХГСА, 08ХМФА, дефекты металла

Для цитирования:

Кабалдин Ю.Г., Аносов М.С., Мордовина Ю.С., Чернигин М.А., Мансуров Р.Ш. Влияние дефектов, возникающих в процессе WAAM, на усталостную прочность сталей 08ХМФА и 30ХГСА. Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. 2026;69(3):242-249. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2026-3-242-249

For citation:

Kabaldin Yu.G., Anosov M.S., Mordovina Yu.S., Chernigin M.A., Mansurov R.Sh. Effect of the defects occurring during WAAM process on fatigue strength of 08CrMoV and 30CrMnSi steels. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2026;69(3):242-249. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/0368-0797-2026-3-242-249

Введение

В настоящее время аддитивные технологии (АТ) становятся одной из передовых технологий для высокопроизводительного производства или изготовления деталей со сложной формой [1]. Наиболее широкое распространение АТ могут находить в мелкосерийном или несерийном высокотехнологичном производстве: авиастроении, тяжелом машиностроении, оборонном производстве [2 – 5].

Усталостью материала принято называть деградацию его свойств, обусловленную накоплением микроструктурных дефектов под действием циклических нагрузок. Данный вид разрушения особенно опасен, потому что часто протекает под действием нагрузок гораздо ниже предела текучести материала в течение длительного времени. Известно, что большинство деталей механизмов и конструкций длительно работают под действием циклических нагрузок [6 – 8]. Более 80 % всех случаев эксплуатационного разрушения происходит в результате циклического нагружения [6; 9]. Начиная с XIX в., усталостная стойкость получает значительное теоретическое развитие и становится одним из фундаментальных свойств материалов в инженерной практике [1; 10 – 13]. Явление усталости – очень сложный многофакторный процесс. К факторам, влияющим на процесс усталости, относятся: частота нагружения [14 – 16], асимметрия цикла нагружения [17 – 18], состояние поверхности [19] и температура работы изделия [20 – 22].

Несмотря на активное изучение металла, полученного с применением АТ, вопросы, касающиеся усталостного разрушения изделий, изучены недостаточно и встречаются в литературе довольно редко [23; 24]. Особенно, если усталостное разрушение происходит в присутствии дефектов различного рода [25 – 28].

В работе изучалось влияние дефектов различного рода в материале, полученном с использованием метода электродуговой наплавки (Wire Arc Additive Manufacturing – WAAM). Технология WAAM заключается в наплавлении обычной сварочной проволоки на подложку, в результате чего образуется заготовка будущей детали. В работах [28 – 31] описаны основные аспекты технологии WAAM.

Целью данного исследования является изучение влияния дефектов различной природы на усталостную прочность металла, полученного методом WAAM.

Материалы и методики исследования

В исследовании для наплавки образцов были использованы проволоки Нп-30ХГСА и Св-08ХМФА. Химический состав определялся методом оптико-эмиссионной спектрометрии с использованием спектрометра Foundry Master UVR, состав исходной проволоки и наплавленных заготовок представлен в табл. 1.

Таблица 1. Химический состав исходной проволоки для наплавки

Марка	Состояние	Содержание легирующих элементов, %
Марка	Состояние	C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Mo	V
Нп-30ХГСА	Проволока	0,269	1,000	0,93	0,099	0,015	0,020	0,961	0,005	0,007
30ХГСА	Заготовка	0,196	0,835	0,782	0,093	0,012	0,016	0,888	0,005	0,006
Св-08ХМФА	Проволока	0,087	0,138	0,29	0,174	0,016	0,012	0,975	0,484	0,156
08ХМФА	Заготовка	0,068	0,123	0,25	0,166	0,015	0,011	0,902	0,471	0,134

Заготовки образцов производились в виде стенок путем послойного нанесения металла на экспериментальной исследовательской WAAM установке, в состав которой входили: трехкоординатный станок с ЧПУ портального типа IVCNC STL, сварочный источник тока Alloy 275 ME Pulse, вытяжной шкаф, сварочный стол и сварочная горелка.

Режим наплавки задавался следующими параметрами: I – сила тока, А; U – напряжение, В; z – дуговой зазор, мм; v – скорость подачи проволоки, мм/с.

При этом дуговой зазор и скорость подачи проволоки были постоянными для всех экспериментов и составляли 11 мм и 300 мм/мин соответственно (определены путем проведения предварительных испытаний). В качестве защитного газа использовалась сварочная смесь, состоящая из 80 % Ar и 20 % CO₂ со скоростью подачи 15 л/мин для всех режимов.

Для изучения влияния микро- и макроструктурных дефектов на усталостную прочность сталей 30ХГСА и 08ХМФА были напечатаны стенки толщиной в один наплавочный валик по режимам, представленным в табл. 2.

Таблица 2. Параметры режимов наплавки

Номер образца	Марка стали	Параметры режима наплавки			Характеристика наплавленных образцов
Номер образца	Марка стали	I, А	U, В	Q, Дж/мм	Характеристика наплавленных образцов
1.1	08ХМФА	150	24	576	Бездефектные образцы
1.2	08ХМФА	110	13	229	Несплавления и поверхностный концентратор
2.1	30ХГСА	160	24	614	Бездефектные образцы
2.2	30ХГСА	200	18	576	Крупные скопления пор, обнаруженные после наплавки заготовок
2.3	30ХГСА	130	17	354	Аномальное строение микроструктуры

Погонная энергия процесса Q с учетом коэффициента энергетических потерь 0,8 определялась по формуле

\[Q = \frac{{0,8IU}}{v}.\]

Из напечатанных заготовок с помощью электроэрозионной резки вырезались плоские образцы для проведения усталостных испытаний с толщиной 3 мм и размером рабочей зоны 60×15 мм (тип IV по ГОСТ 25.502 – 78) (рис. 1). После вырезки рабочая часть образцов обрабатывалась шлифованием до шероховатости R_a = 0,2. Для оценки эволюции структуры и фиксирования особенностей роста трещин в ходе усталостного нагружения рабочая поверхность части образцов подвергалась полированию и последующему травлению.

Рис. 1. Общий вид образцов после вырезки

Усталостные испытания проводились на специализированном стенде по схеме консольного изгиба (коэффициент асимметрии цикла R = –l). Частота упругопластического циклического деформирования устанавливалась с использованием частотного преобразователя равной 8,3 Гц (500 циклов/мин). Испытания проводились с учетом требований ГОСТ 25.502 – 79. Амплитуду напряжений в цикле настраивали путем расчетов и с использованием индикатора часового типа. В процессе испытаний регистрировали: число циклов N и амплитуду напряжений в цикле σmax . Общая схема испытательного стенда представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема установки для испытания на усталость

Наработка материала образца определялась как отношение текущего количества циклов нагружения N к количеству циклов, при котором наблюдается полное разрушение материала образца N^* (N/N^*).

Для выявления микроструктуры металлов и характера возможных дефектов проводился металлографический анализ. Выявление микроструктуры осуществлялось путем протирания подготовленной поверхности ватным диском, смоченным в 4 %-ном водном растворе азотной кислоты.

Результаты эксперимента

В ходе металлографического анализа образцов из стали 30ХГСА были получены результаты, представленные в табл. 3.

Таблица 3. Результаты металлографического анализа

Номер образца	Микроструктура образца	Описание микроструктуры
1.1		Феррит-перлитная структура. Феррит выделяется преимущественно в виде замкнутых сеток, также замечены следы Видманштеттеновой структуры
1.2		Феррит-перлитная структура. Феррит выделяется преимущественно в виде замкнутых сеток, также замечены следы Видманштеттеновой структуры
2.1		Феррит и сорбит. По высоте образца фиксируется незначительная структурная неоднородность, выражающаяся в различной дисперсности сорбита
2.2		Феррит и сорбит. По высоте образца выделяется структурная неоднородность, отчетливо выделяются места с крупными ферритными колониями
2.3		Аномальная феррит-перлитная структура. Феррит выделяется в виде замкнутых сеток. В металле замечена Видманштеттенова структура. Перлит имеет как пластинчатую, так и частично сфероидизировавшуюся морфологию

При исследовании наплавленных стенок в заготовке для изготовления образцов 2.2 отчетливо выделяются большие скопления макродефектов, которые могут быть охарактеризованы как поры и непровары. При наплавке заготовок для изготовления образцов 2.1 и 2.3 макродефекты практически не выявляются.

В ходе изготовления образцов 1.2 режим наплавки изменялся таким образом, чтобы получить несплавления между двумя наплавочными валиками. Дефекты выстроены в виде строчек, расположенных по границам сплавления слоев преимущественно в центре образцов. Также после вырезки образцов на наиболее нагруженную поверхность образца наносился концентратор глубиной порядка 130 мкм.

Данные, полученные в ходе усталостных испытаний образцов из сталей 30ХГСА и 08ХМФА, представлены на рис. 3.

Рис. 3. Кривые усталости для сталей 30ХГСА и 08ХМФА

Наибольшую усталостную прочность показывают бездефектные образцы. Исходя из данных, представленных на рис. 3, можно сделать вывод, что наличие любого рода дефектов (микроструктурных и макроструктурных) приводит к снижению усталостной прочности. Макроструктурные дефекты (крупные поры и непровары) оказывают более сильное влияние на усталостную прочность материала.

Результаты испытаний показывают, что наличие дефектов в сплаве 08ХМФА приводит к снижению долговечности исследуемого материала в среднем на 30 – 40 %.

При изучении образцов 1.2 установлено, что несмотря на наличие строчечных дефектов (непроваров) в опасном сечении, они не являются причинами образования магистральной трещины, которая привела к разрушению образца. Очагом зарождения трещины являлся дефект поверхности глубиной 0,136 мкм. Именно здесь наблюдается наиболее активный рост трещины, особенно в момент предразрушения.

Вывод о более сильном влиянии качества поверхности (поверхностного концентратора) можно также сделать исходя из микроснимков, полученных при изучении разрушенного образца (рис. 4). Видно, что очагом разрушения выступил предварительно нанесенный концентратор. Магистральная трещина практически не пересекает непровары и образовавшиеся вокруг них трещины.

Рис. 4. Разрушенный образец из стали 08ХМФА

Схожие выводы о влиянии технологических дефектов на усталостную прочность деталей получены и другими исследователями [32 – 34]. Так, в работе, направленной на изучение влияния литейных дефектов на усталостную прочность надрессорных балок и боковых рам, было установлено, что литейные дефекты приводят к снижению усталостной прочности на 33 – 47 % [32]. Также в данном исследовании указывается на наиболее критичное с точки зрения усталостной прочности поверхностное и подповерхностное расположение дефектов [32]. Схожие выводы о влиянии поверхностных дефектов были получены при изучении сварных соединений [34].

Выводы

В ходе проведения усталостных испытаний образцов из сталей 08ХМФА и 30ХГСА наибольшие значения показывали бездефектные образцы для обеих марок.

Исходя из данных, полученных при исследовании образцов из стали 30ХГСА, можно сделать вывод, что наличие любого рода дефектов (микроструктурных и макроструктурных) приводит к снижению усталостной прочности. Макроструктурные дефекты (крупные поры и непровары) оказывают более сильное влияние на усталостную прочность материала.

Так, для образцов, имеющих аномальное строение микроструктуры (образцы 2.3), наблюдается снижение усталостной прочности на 28 % относительно бездефектного материала (образец 2.1). В образцах 2.2, имеющих макроскопические дефекты технологического характера (крупные поры и непровары), также происходит значительное снижение усталостной прочности, достигающее 39 %.

Схожие результаты получены и для стали 08ХМФА: усталостная прочность образца с непроварами и поверхностным концентратором (образец 1.2) снижается на 31 %.

Также следует отметить, что наличие поверхностного концентратора оказывает большее влияние на формирование магистральной усталостной трещины, чем несплавления в центральной области образцов. Данный эффект подтверждается изучением поверхности образца в процессе усталостного испытания и после его разрушения.

Список литературы

1. Tang W., Tang Z., Lu W., Wang S., Ming Y. Modeling and prediction of fatigue properties of additively manufactured metals. Acta Mechanica Solida Sinica. 2023;36:181–213. https://doi.org/10.1007/s10338-023-00380-5

2. Li N., Huang S., Zhang G., Qin R., Liu W., Xiong H., Shi G., Blackburn J. Progress in additive manufacturing on new materials: A review. Journal of Materials Science & Technology. 2019;35(2):242–69. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2018.09.002

3. Beaman J., Bourell D.L., Seepersad C., Kovar D. Additive manufacturing review: Early past to current practice. Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2020;142(11):110812. https://doi.org/10.1115/1.4048193

4. Hergul Y., Goynuk T., Yucel M., Kan G., Yaman U. Performance and microstructure analysis of cylindrical rods fabricated by dot-by-dot WAAM for aerospace applications. Progress in Additive Manufacturing. 2025:10:9355–9370. https://doi.org/10.1007/s40964-025-01166-6

5. Viliš J., Pokorný Z., Zouhar J., Vítek R., Fornůsek T. Comparative analysis of metal components manufactured by WAAM technology for the strike face layer of ballistic protection. Materials Science Forum. 2025;1151:3–12. https://doi.org/10.4028/p-2gbZ6u

6. Gonchar A.V., Mishakin V.V., Klyushnikov V.A. The effect of phase transformations induced by cyclic loading on the elastic properties and plastic hysteresis of austenitic stainless steel. International Journal of Fatigue. 2018;106:153–158. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2017.10.003

7. Трефилова Т.А., Бирюкова Г.А. Меры по обеспечению надежности на этапах проектирования, производства и эксплуатации изделий. Электроника и электрооборудование транспорта. 2020;(4):41–44.

8. Терентьев В.Ф., Кораблева С.А. Усталость металлов. М: Наука; 2015:484.

9. Золоторевский В.С. Механические свойства металлов. М.: МИСИС; 1998:400.

10. Schütz W. A history of fatigue. Engineering Fracture Mechanics. 1996;54(2):263–300. https://doi.org/10.1016/0013-7944(95)00178-6

11. Liu J., Pan X., Li Y., Chen X. A two-point method for multiaxial fatigue life prediction. Acta Mechanica Solida Sinica. 2022;35:316–327. https://doi.org/10.1007/s10338-021-00287-z

12. Zhao T., Kang G. Fatigue life prediction for NiTi shape memory alloy microtubes under uniaxial stress-controlled one-way shape memory cyclic loading. Acta Mechanica Solida Sinica. 2022;35:15–25. https://doi.org/10.1007/s10338-021-00255-7

13. Yi M., Tang W., Zhu Y., Liang Ch., Tang Z., Yin Y., He W., Sun Sh., Su Sh. A holistic review on fatigue properties of additively manufactured metals. 2023:202. https://doi.org/10.13140/RG.2.2.20695.24486

14. Нгуен Нгок Т., Капралов В.М., Коленько Г.С. Влияние частот нагружения на сопротивление усталости материалов. Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. 2019;25(2):68–77. https://doi.org/10.18721/JEST.25205

15. Hu Y., Sun C., Xie J., Hong Y. Effects of loading frequency and loading type on high-cycle and very-high-cycle fatigue of a high-strength steel. Materials. 2018;11(8):1456. https://doi.org/10.3390/ma11081456

16. Мыльников В.В., Шетулов Д.И., Кондрашкин О.Б., Чернышов Е.А., Пронин А.И. Изменение показателей сопротивления усталости конструкционных сталей при различных спектрах нагружения. Известия вузов. Черная металлургия. 2019;62(10):796–802. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-10-796-802

17. Фигура К.Н. Влияние асимметрии цикла нагружения на усталостную прочность трубопроводов в условиях коррозионного повреждения. Вестник ИШ ДВФУ. 2020;(2(43)):13–22.

18. Meraj M., Dutta K., Bhardwaj R., Yedla N., Karthik V., Pal Sh. Influence of asymmetric cyclic loading on structural evolution and deformation behavior of Cu-5 at. % Zr alloy: An atomistic simulation-based study. Journal of Materials Engineering and Performance. 2017;26:5197–5205. https://doi.org/10.1007/s11665-017-3003-1

19. Пачурин Г.В., Кузьмин Н.А., Филиппов А.А., Нуждина Т.В. Механические характеристики сталей с газофазным никелевым покрытием. Технология металлов. 2019;(2):34–37. https://doi.org/10.31044/1684-2499-2019-2-0-34-37

20. Nagesha A. Influence of temperature on the low cycle fatigue behaviour of a modified 9Cr–1Mo ferritic steel. International Journal of Fatigue. 2002;24(12):1285–1293. https://doi.org/10.1016/s0142-1123(02)00035-x

21. Khlybov A.A., Kabaldin Yu.G, Anosov M.S, Ryabov D.A, Naumov V.I, Sentyureva V.I. The effect of low temperatures on the operability of products 20GL steel. Journal of Physics: Conference Series. 2019;1431(1):012063 https://doi.org/10.1088/1742-6596/1431/1/012063

22. Khlybov A.A., Uglov A.L, Ryabov D.A. On the specific features of using the phenomenon of acoustoelasticity when testing the stress state of anisotropic material of technical objects at subzero temperatures. Russian Journal of Nondestructive Testing. 2021;57:21–30. https://doi.org/10.1134/S1061830921010083

23. Schneider J., Farris L., Nolze G., Reinsch S., Cios G., Tokarski T., Thompson S. Microstructure evolution in Inconel 718 produced by powder bed fusion additive manufacturing. Journal of Manufacturing and Materials Processing. 2022;6(1):20. https://doi.org/10.3390/jmmp6010020

24. Wegener T., Wu T., Sun F., Wang C., Lu J., Niendorf T. Influence of surface mechanical attrition treatment (SMAT) on microstructure, tensile and low-cycle fatigue behavior of additively manufactured stainless steel 316L. Metals. 2022;12(9):1425. https://doi.org/10.3390/met12091425

25. Liu F., He C., Chen Y., Zhang H., Wang Q., Liu Y. Effects of defects on tensile and fatigue behaviors of selective laser melted titanium alloy in very high cycle regime. International Journal of Fatigue. 2020;140:105795. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2020.105795

26. Biswal R., Zhang X., Syed A.K., Awd M., Ding J., Walther F., Williams S. Criticality of porosity defects on the fatigue performance of wire + arc additive manufactured titanium alloy. International Journal of Fatigue. 2019;122:208–217. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2019.01.017

27. Wang S., Zhan L., Xi H., Xiao H. A unified approach toward simulating constant and varying amplitude fatigue failure effects of metals with east and efficient algorithms. Acta Mechanica Solida Sinica. 2021;34:53–64. https://doi.org/10.1007/s10338-020-00187-8

28. Nguyen V.T., Minh P.S., Uyen T.M.T., Do T.T., Ngoc H.V.T., Le M.T., Nguyen V.T.T. WAAM Technique: Process parameters affecting the mechanical properties and microstructures of low-carbon steel. Metals. 2023;13(5):873. https://doi.org/10.3390/met13050873

29. Kabaldin Yu., Shatagin D., Ryabov D., Solovyov A., Kurkin A. Microstructure, phase composition, and mechanical properties of a layered bimetallic composite ER70S-6-ER309LSI obtained by the WAAM method. Metals. 2023;13(5):851. https://doi.org/10.3390/met13050851

30. Blinn B., Hassel T., Viebranz V.F., Beck T., Maier H.J. Influence of the grain orientation and δ-ferrite on the cyclic deformation behavior of an austenitic CrNi steel manufactured by wire and arc additive manufacturing. Materials Science and Engineering: A. 2023;870:144612. https://doi.org/10.1016/j.msea.2023.144612

31. Treutler K., Wesling V. The current state of research of wire arc additive manufacturing (WAAM): A review. Applied Sciences. 2021;11(18):8619. https://doi.org/10.3390/app11188619

32. Пастухов И.Ф., Пастухов М.И. О влиянии литейных дефектов на сопротивление усталости литых деталей. Вестник ГГТУ им. П.О. Сухого. 2012;(3(50)):11–18.

33. Майсурадзе М.В., Антаков Е.В. Анализ причин усталостного разрушения деталей машин. Сталь. 2021;(10):47–53.

34. Kashyzadeh K.R., Ganjabi M.A., Moghbeli S., Abu-Nidzhim R., Khlopkov S., Laad M. Effects of surface-level defects on tensile and fatigue strength of spot weld bonding–three-sheet steel. International Journal of Engineering. 2025;39(8):1855–1864. https://doi.org/10.5829/ije.2026.39.08b.07