增材制造金属材料疲劳行为的研究

2021-10-28 14:29:54·  来源:MTS系统公司  
 
增材制造技术(也叫做3D打印技术)作为先进制造业的重要组成部分,已然成为世界各国制造业发展的重要方向。MTS系统公司是美国国家增材制造卓越中心(NCAME)的合作伙
增材制造技术(也叫做3D打印技术)作为先进制造业的重要组成部分,已然成为世界各国制造业发展的重要方向。MTS系统公司是美国国家增材制造卓越中心(NCAME)的合作伙伴之一,为该中心的力学试验室提供先进的材料力学性能测试解决方案。该中心位于美国奥本大学(Auburn University),那里的专家分享了最近在增材制造金属材料疲劳行为方面的研究成果

大多数的研究表明,利用增材制造技术制备的金属材料零件与传统锻造工艺制备的零件相比,抗疲劳性能较差,相关研究人员研究了体积缺陷、表面粗糙度和微观结构对增材制造金属材料疲劳行为的影响[1,2,3]。因此,需要通过调整工艺来提升增材制造技术制备的金属材料零件抗疲劳性能,例如进行适度的表面处理以及热处理,从下图1可以看到提升表面粗糙度可以显著改善LB-PBF 17-4 PH SS(激光束粉末床熔接)材料的疲劳性能[1,2],对于其他类型的材料也有类似的报道[5]。

制造后的热处理过程也会影响增材制造金属材料的疲劳性能[2,4],例如图2所示LB-PBF 17-4 PH SS在不同的热处理工艺下,抗疲劳性能特性也有了相应的提高[1]。

有趣的是,增材制造金属材料的疲劳裂纹扩展过程与锻造工艺金属材料在稳定裂纹扩展区域相差不大,例如图3所示,LB-PBF 17-4 PH SS与锻造材料相比几乎具有相同的疲劳裂纹扩展行为[6],但是在不稳定的裂纹扩展区域则表现出更高的裂纹扩展速率。

参考文献

[1] P.D. Nezhadfar, R. Shrestha, N. Phan, N. Shamsaei, Fatigue behavior of additively manufactured 17-4 PH stainless steel: Synergistic effects of surface roughness and heat treatment [J],International Journal of Fatigue, 2019(124):188-204 (https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2019.02.039.)
[2] J.W. Pegues, S. Shao, N. Shamsaei, et,al. Fatigue of additive manufactured Ti-6Al-4V, Part I: The effects of powder feedstock, manufacturing, and post-process conditions on the resulting microstructure and defects[J],International Journal of Fatigue, 2020(132):105358,(https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2019.105358.)
[3] A. Fatemi, R. Molaei, J. Simsiriwong, et,al. Fatigue behaviour of additive manufactured materials: An overview of some recent experimental studies on Ti-6Al-4V considering various processing and loading direction effects[J], Fatigue & Fracture of Engineering Material & Structure, 2019(3):991-1009 (https://doi.org/10.1111/ffe.13000)
[4] R. Molaei, A. Fatemi, N. Sanaei, et,al. Fatigue of additive manufactured Ti-6Al-4V, Part II: The relationship between microstructure, material cyclic properties, and component performance[J],International Journal of Fatigue,2020(132):105363 (https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2019.105363.)
[5] J. Pegues, M. Roach, R.S. Williamson, et,al. Surface roughness effects on the fatigue strength of additively manufactured Ti-6Al-4V[J], International Journal of Fatigue,2018(116):543-552 (https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2018.07.013.)
[6] P.D. Nezhadfar, E. Burford, K. Anderson-Wedge,et,al. Fatigue crack growth behavior of additively manufactured 17-4 PH stainless steel: Effects of build orientation and microstructure[J], International Journal of Fatigue,2019(123):168-179 (https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2019.02.015.)

MTS系统公司是美国国家增材制造卓越中心(NCAME)的合作伙伴之一,为该中心的力学试验室提供先进的材料力学性能测试解决方案。该中心的材料力学性能试验室内拥有多台MTS 810、Landmark(落地式和桌面式)、Bionix 拉扭组合、809 拉扭组合等力学性能测试系统。
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