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西南交大實現(xiàn)鋁合金3D打印多缺陷主導(dǎo)裂紋擴(kuò)展行為的成像表征 

2021-11-10 10:30
近日,西南交通大學(xué)在增材材料疲勞性能評價方向取得重要進(jìn)展,并在國際疲勞領(lǐng)域頂級期刊International Journal of Fatigue上發(fā)表研究論文。碩士研究生錢偉建為論文的第一作者,吳圣川研究員為通訊作者,英國皇家科學(xué)院和工程院兩院院士Philip J. Withers及中科院力學(xué)所錢桂安研究員為共同作者。該工作得到國家自然科學(xué)基金大科學(xué)裝置聯(lián)合基金(資助號 U2032121)、歐洲研究委員會(資助號 695638)等項目、機(jī)構(gòu)的支持。同時,本工作受邀在2021年ASTM國際增材制造會議上特邀報告介紹。
                        
研究背景
            
選區(qū)激光熔化(SLM)作為一種成熟的金屬增材制造技術(shù),可以成形出低孔隙率的復(fù)雜金屬部件,與傳統(tǒng)加工方法相比具有顯著優(yōu)勢。鑒于鋁合金重量較輕,SLM成形的鋁合金部件在航空航天和軍事領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。通過優(yōu)化SLM工藝參數(shù),可以獲得與鑄造或鍛造可比的靜態(tài)力學(xué)性能。然而,由于鋁合金粉末流動性差,激光反射率高、熱傳導(dǎo)性高等特性,在SLM成形過程中極易產(chǎn)生未熔合(LOF)、氣孔等缺陷,嚴(yán)重制約其疲勞性能,是影響其發(fā)展和應(yīng)用的重要原因之一。發(fā)生在焊接接頭處的多源損傷或多裂紋問題已有較多研究,但在增材制造領(lǐng)域,該問題尚未得到廣泛關(guān)注。不同于焊接缺陷的局域分布,增材缺陷具有全域分布特點,為多源損傷行為的發(fā)生提供了便利條件,需要重點關(guān)注。傳統(tǒng)二維損傷觀測方法無法深入材料內(nèi)部全面揭示全域損傷失效行為,高訪導(dǎo)師Philip J. Withers團(tuán)隊較早通過顯微CT監(jiān)測增材鈦合金所含缺陷誘導(dǎo)的疲勞裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象,使得精準(zhǔn)表征材料內(nèi)部全域損傷成為可能。
            
主要思路
            
缺陷的存在會引起較大的應(yīng)力集中,這些應(yīng)力集中往往成為疲勞裂紋的萌生點和擴(kuò)展源,顯著降低疲勞壽命,嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)服役性能。增材樣品內(nèi)部缺陷大小、形貌、分布復(fù)雜,廣布缺陷在疲勞歷程中扮演重要角色。因此,如何獲取增材制件損傷區(qū)內(nèi)缺陷初始狀態(tài)及其對疲勞裂紋擴(kuò)展的影響是揭示缺陷致疲勞損傷演化的迫切要求。顯微CT在復(fù)雜制件損傷檢測方面的優(yōu)勢顯著,可在三維空間上實現(xiàn)材料內(nèi)部缺陷及損傷的可視化,并準(zhǔn)確給出缺陷的空間尺寸、形貌和分布特征,為缺陷以及裂紋演變提供了有效的技術(shù)支持,已成為當(dāng)前材料損傷機(jī)制研究的頂尖技術(shù)手段。疲勞樣品斷裂表面記錄了疲勞失效過程的全部信息,疲勞加載前的顯微CT成像則可還原斷面局部的初始內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)信息,若將兩者結(jié)合,則可深入探究初始缺陷對疲勞失效過程的影響。此外,Kishimoto等人提出的無相互作用-立即轉(zhuǎn)化法(NIIT)被認(rèn)為是簡化多裂紋耦合效應(yīng)的有效方法。有限元(FE)方法計算的應(yīng)力強(qiáng)度因子為評估裂紋相互作用提供依據(jù)。
            
基于上述實驗及理論方法,論文綜合利用高分辨顯微CT(包括同步輻射CT技術(shù))、掃描電子顯微鏡(SEM)、單軸拉伸、高周疲勞、疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值等多種試驗手段深入系統(tǒng)開展了SLM成形AlSi10Mg鋁合金在平行于堆積方向(Z向)的三維缺陷特征及其對拉伸性能和疲勞壽命等的影響,以探索增材成形樣品所含廣布缺陷誘導(dǎo)的多源損傷失效現(xiàn)象。進(jìn)而,在損傷容限框架內(nèi)提出了一種協(xié)同多重疲勞裂紋擴(kuò)展(smFCG)模型。其中,初始裂紋長度由SLM成形的AlSi10Mg合金內(nèi)部臨界LOF缺陷的外接半橢圓定義。經(jīng)典NASGRO方程描述的疲勞裂紋擴(kuò)展特性提供了裂紋擴(kuò)展壽命評估的基礎(chǔ)。在已有研究的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了裂紋前沿幾何修正因子的響應(yīng)面,得以快速計算裂紋擴(kuò)展驅(qū)動力。然后使用NIIT方法來處理多重開裂的聚結(jié)問題。
            
研究發(fā)現(xiàn)
            
研究結(jié)果表明,高水平載荷下,增材樣品固有的廣布缺陷易于誘導(dǎo)競爭性多重疲勞裂紋萌生現(xiàn)象;特別是當(dāng)多個缺陷位于或幾乎位于與加載軸相垂直的同一個平面上時。在兩個非絕對共面的裂紋擴(kuò)展過程中,當(dāng)兩個裂紋開始重疊時就會發(fā)生橋接韌帶的斷裂并在斷裂面上形成脊。表明長裂紋的穩(wěn)定生長也伴隨著相鄰裂紋或缺陷的合并而不僅是單個裂紋的擴(kuò)展。傳統(tǒng)單裂紋模型可以有效預(yù)測裂紋前沿縱橫比的演變和單裂紋擴(kuò)展壽命,與單裂紋主導(dǎo)失效時的原位實驗結(jié)果吻合較好,但當(dāng)多個缺陷協(xié)同誘導(dǎo)疲勞開裂時,將給出非保守的計算結(jié)果??傊竟ぷ魈岢鰏mFCG模型可以描述斷裂表面多個裂紋的生長和合并過程,與單裂紋擴(kuò)展模型相比,可給出更保守和準(zhǔn)確的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命評估結(jié)果。
            
西南交大實現(xiàn)鋁合金3D打印多缺陷主導(dǎo)裂紋擴(kuò)展行為的成像表征 (1).png
            
            
圖1:(a)初始缺陷(紅色)和300,000次循環(huán)后檢測到的裂紋(黃色)的3D渲染(b)包含裂紋的區(qū)域;(c)裂紋平面圖;(d)和(e)在(b)中定義的位置(裂紋的虛擬橫截面)。
            
西南交大實現(xiàn)鋁合金3D打印多缺陷主導(dǎo)裂紋擴(kuò)展行為的成像表征 (2).png
            
            
圖 2:(a)單裂紋模型示意圖,以及(b)模擬裂紋擴(kuò)展序列疊加到試樣#23的斷裂表面上。
            
西南交大實現(xiàn)鋁合金3D打印多缺陷主導(dǎo)裂紋擴(kuò)展行為的成像表征 (3).png
            
            
圖 3:基于由X射線CT先驗確定的原始缺陷群,HCF樣品#2(a)和樣品#13(b)的多裂紋擴(kuò)展模擬示意圖。
            
此研究加深了對三維缺陷致增材金屬疲勞行為的理解,提出了基于缺陷三維成像的增材金屬材料疲勞多裂紋協(xié)同擴(kuò)展計算方法,為增材材料疲勞壽命的可靠評估提供了思路。
來源:3D打印技術(shù)參考
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西南交大實現(xiàn)鋁合金3D打印多缺陷主導(dǎo)裂紋擴(kuò)展行為的成像表征 
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