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。

            

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2021.106616

            

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展特性提供了裂紋擴展壽命評估的基礎(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。總之，本工作提出smFCG模型可以描述斷裂表面多個裂紋的生長和合并過程，與單裂紋擴展模型相比，可給出更保守和準(zhǔn)確的疲勞裂紋擴展壽命評估結(jié)果。

            

            

            

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）。

            

            

            

圖 2：（a）單裂紋模型示意圖，以及（b）模擬裂紋擴展序列疊加到試樣#23的斷裂表面上。

            

            

            

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

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。

            

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2021.106616

            

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展特性提供了裂紋擴展壽命評估的基礎(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。總之，本工作提出smFCG模型可以描述斷裂表面多個裂紋的生長和合并過程，與單裂紋擴展模型相比，可給出更保守和準(zhǔn)確的疲勞裂紋擴展壽命評估結(jié)果。

            

            

            

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）。

            

            

            

圖 2：（a）單裂紋模型示意圖，以及（b）模擬裂紋擴展序列疊加到試樣#23的斷裂表面上。

            

            

            

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