增材制造零件表面粗糙度与疲劳寿命测试关系

增材制造（3D打印）技术因能实现复杂结构的近净成形，在航空航天、汽车、医疗等对零件疲劳可靠性要求极高的领域快速普及。疲劳寿命是增材零件服役安全的核心指标，而表面粗糙度作为增材工艺固有的“几何印记”，直接影响疲劳裂纹的萌生位置与扩展速率。厘清两者的测试关系，既是优化增材工艺参数的关键依据，也是精准预测零件寿命的重要基础。本文结合增材制造的工艺特点与疲劳测试原理，系统解析表面粗糙度对疲劳寿命的作用机制及测试关联逻辑。

表面粗糙度对疲劳裂纹萌生的触发机制

疲劳破坏的本质是循环载荷下“裂纹萌生-扩展-断裂”的累积过程，其中80%以上的裂纹起源于零件表面的应力集中区。增材制造的逐层堆积特性，使零件表面天然带有工艺衍生的几何缺陷：FDM工艺的丝材堆叠间隙、SLM工艺的熔池凝固痕迹与未熔粉末凹坑、SLA工艺的树脂层纹等，这些缺陷共同构成了表面粗糙度的物理载体。

当零件承受循环载荷时，表面凸峰处的应力会被大幅放大——比如SLM铝合金零件表面Ra=12μm时，凸峰局部应力可达名义应力的3倍以上。这种应力集中会引发局部塑性变形，若应力超过材料的疲劳极限，微小裂纹（尺寸通常在10~100μm）会在凸峰根部或凹坑底部形核。例如，Ra=15μm的SLM钛合金零件，裂纹萌生时间较Ra=3μm的零件缩短50%~70%。

更关键的是，表面凹坑的“缺口效应”会进一步加速裂纹萌生：凹坑底部处于三向拉应力状态，抑制了材料的塑性变形能力，使裂纹更易“固定”在凹坑底部并向内部扩展。这种由表面粗糙度引发的“早期裂纹启动”，是增材零件疲劳寿命普遍低于锻件的核心原因之一。

不同增材工艺的表面粗糙度特征及疲劳测试差异

增材工艺类型直接决定了表面粗糙度的形成机制，进而导致疲劳测试结果的显著差异。以三类主流工艺为例：FDM通过热丝堆叠成形，表面粗糙度主要来自丝材间的间隙（Ra典型值5~20μm），且沿堆积方向的层纹更密集；SLM利用激光熔化金属粉末，表面粗糙度源于熔池边界与未熔粉末（Ra典型值8~30μm），且伴随较多亚表面孔隙；SLA通过紫外光固化树脂，表面粗糙度由层厚与扫描路径决定（Ra典型值1~5μm），表面相对光滑。

工艺差异带来的表面特征，直接影响疲劳裂纹的萌生位置与扩展路径：FDM零件的裂纹多起源于丝材间隙的应力集中处，且沿堆积方向直线扩展；SLM零件的裂纹常从表面未熔粉末形成的凹坑或亚表面孔隙开始，扩展路径受熔池边界的“引导”呈锯齿状；SLA零件因表面光滑，裂纹更易起源于内部树脂收缩孔隙。

因此，疲劳测试需针对工艺特性调整评价重点：SLM零件需重点关注未熔粉末的尺寸与分布，FDM零件需强调堆积方向的层纹间距，SLA零件则需聚焦内部缺陷。若忽略工艺差异仅用Ra值统一评价，疲劳寿命测试偏差可能高达40%~60%。

表面粗糙度测试指标与疲劳寿命的量化关联

表面粗糙度的评价指标众多（Ra、Rz、Rsm、Rsk等），但并非所有指标都与疲劳寿命强相关。传统Ra（算术平均偏差）仅反映表面平均粗糙程度，无法区分凸峰与凹坑的分布；Rz（轮廓最大高度）直接对应表面凸峰的极端高度，与应力集中峰值强相关；Rsm（轮廓单元平均宽度）反映表面特征的间距，影响应力集中的密度；Rsk（轮廓偏斜度）则体现凸峰与凹坑的不对称性（Rsk>0凸峰多，Rsk<0凹坑多）。

通过大量疲劳测试数据统计，Rz与Rsm对疲劳寿命的影响最显著：Rz增大意味着凸峰更高，应力集中更剧烈——比如SLM钛合金零件Rz从10μm增至30μm时，疲劳寿命从1.2×10^6次降至2.5×10^5次；Rsm减小表示表面特征更密集，应力集中区更多——Rsm从50μm减至20μm时，疲劳寿命下降约40%。

Rsk的影响则呈“双向性”：Rsk>0时，凸峰增多会增加裂纹萌生源，降低寿命；Rsk<0时，凹坑增多虽有缺口效应，但凹坑底部的塑性变形可延缓裂纹扩展（低应力幅下更明显）。因此，仅用Ra值无法准确关联疲劳寿命，需结合Rz、Rsm等指标建立多参数模型。

材料特性对粗糙度-疲劳寿命关系的调制作用

材料的力学性能会显著改变表面粗糙度对疲劳寿命的影响程度。高强度材料（如Ti-6Al-4V，屈服强度≈900MPa）塑性变形能力弱，表面应力集中更易引发裂纹——Ra=15μm的Ti-6Al-4V零件，疲劳寿命较Ra=3μm的零件下降60%；而塑性较好的铝合金（如Al-Si-10-Mg，屈服强度≈200MPa），表面凸峰的塑性变形可缓解应力集中，相同Ra变化下疲劳寿命仅下降30%。

树脂材料（如SLA光敏树脂）的影响更特殊：因其塑性变形能力强，表面粗糙度的影响被大幅削弱——Ra=5μm的SLA零件，裂纹更易起源于内部树脂收缩孔隙，而非表面层纹。甚至当Ra从5μm降至1μm时，疲劳寿命仅提高10%~15%，远低于金属零件的提升幅度。

因此，建立粗糙度-疲劳寿命关系时，需先明确材料的力学特性：高强度金属重点控制Rz（凸峰高度），塑性金属关注Rsm（特征间距），树脂材料兼顾表面与内部缺陷。

循环载荷类型对粗糙度-疲劳寿命关系的影响

零件的实际服役载荷类型（拉-拉、拉-压、弯曲），会改变表面粗糙度对疲劳寿命的作用效果。拉-拉载荷下，表面凸峰始终处于拉应力状态，应力集中无法释放，粗糙度的影响最显著——Ra=10μm的SLM零件，拉-拉疲劳寿命较Ra=3μm的零件下降60%；拉-压载荷下，凸峰在压应力阶段会发生塑性变形，部分释放应力集中，影响程度降至40%。

弯曲载荷的影响更突出：零件表面应力呈线性分布（表面最大，心部最小），表面粗糙度的作用被进一步放大——Ra=15μm的FDM零件，弯曲疲劳寿命较Ra=5μm的零件下降70%，远高于拉-拉载荷下的50%降幅。

因此，疲劳测试需匹配零件的实际载荷类型：拉-拉载荷重点评价Rz（凸峰高度），拉-压载荷关注Rsm（特征间距），弯曲载荷则需同时控制Rz与Rsm，避免因载荷类型不匹配导致测试结果偏离实际。

表面处理对粗糙度-疲劳寿命关系的调控机制

表面处理是改善增材零件疲劳性能的常用手段，核心是通过改变表面粗糙度或引入残余压应力，降低应力集中。常见方法包括机械抛光、喷砂、电化学抛光、热等静压（HIP）等。

机械抛光通过磨削去除凸峰，可大幅降低Ra（如SLM零件从20μm降至2μm），但过度抛光可能产生表面微裂纹（尤其硬脆材料），反而缩短寿命。喷砂通过高速颗粒撞击，磨平凸峰并填充凹坑，同时引入-200~-500MPa的残余压应力——SLM铝合金零件经喷砂后，疲劳寿命较未处理件提高2~3倍。

电化学抛光利用电解作用去除表面金属，能获得Ra<1μm的镜面效果，且无机械损伤，但对SLM零件的亚表面孔隙封闭有限。HIP通过高温高压消除内部孔隙，同时使表面熔池边界更平滑，间接降低Ra（如从15μm降至8μm），疲劳寿命提高1.5~2倍。

需注意“适度原则”：若SLM零件抛光至Ra<0.5μm，表面残余压应力会消失，甚至暴露亚表面孔隙，导致寿命下降20%~30%。因此，处理参数需结合工艺与材料特性优化。

疲劳寿命测试中表面粗糙度的同步表征要求

要准确建立粗糙度-疲劳寿命关系，需在测试中同步监测表面粗糙度的动态变化——循环载荷会导致表面凸峰塑性变形、磨损或裂纹扩展，使粗糙度随循环次数改变。

同步表征需用非破坏性方法：白光干涉仪（WLI）可在测试间歇期（如每10^4次循环）测量Rz、Rsm等指标，实时追踪凸峰高度与特征间距的变化；扫描电子显微镜（SEM）可观察裂纹萌生位置，对应初始表面粗糙度的特征（如SLM裂纹源于未熔粉末凹坑）。

此外，环境因素需严格控制：高温会导致金属表面氧化，掩盖初始粗糙度；高湿度会使树脂零件吸水膨胀，影响测试准确性。因此，测试需在恒定环境（25±2℃、湿度50±5%）下进行，确保粗糙度表征的真实性。