3D打印与传统轻金属疲劳损伤机制异同与寿命评估研究
项目介绍
AI项目解读
基本信息
- 批准号:11872225
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:65.0万
- 负责人:
- 依托单位:
- 学科分类:A0802.固体强度、损伤、断裂与疲劳
- 结题年份:2022
- 批准年份:2018
- 项目状态:已结题
- 起止时间:2019-01-01 至2022-12-31
- 项目参与者:阳辉辉; 张之豪; 崔照雯; 郭明海; 纪经; 赵凤; 谈昌皓;
- 关键词:
项目摘要
3D printed and conventional light metals have each from special features in applications of lightweight materials. The former has been widely focused in recent years, especial in the applications about the complex structures, light weight and size limit structures etc. It is because that 3D printing technology owns the digital, intellectualized and internet (+) manufacturing characteristics. However, as the additive manufacturing technology, the materials will unavoidably exist some mesoscopic defects including hole, crack, inclusion and interface bonding as well as residual stress etc. in its manufacturing processing. Therefore, to investigate the effects of these defects on the fatigue damage mechanism and fatigue life becomes the necessary issues in its applications. In this work, the fatigue tests about the defects how to influence on the fatigue crack initiation and propagation mechanism or behavior of 3D printed metals will be carried out based on SEM in-situ technology and rotation bending fatigue equipment with environmental boxes in order to understand the fatigue damages of 3D printed metals with some defects, to describe and evaluate the fatigue crack initiation position and crack growth rate formal quantificationally, to forecast the fatigue life of 3D printed structure based on the coupling methods both simulation analysis and experimental data. Then, the fatigue damage hierarchy (system) both 3D printed and conventional light metals can be established, the fatigue damage theory and experimental method of 3D printed metals with some defects will be also obtained through above mention works. Therefore, the 3D printed structures will be used in safety and reliability aspects.
轻金属3D打印技术近年来发展迅猛,特别是在一些复杂结构、特殊尺寸方面,从设计到成型均能实现数字法、智能化或互联网+。但这种材料在物理化学过程制备中不可避免会存在孔洞、裂纹、夹杂物及合金元素缺失等缺陷。这些介观缺陷一般对材料的静强度影响甚微,但在长期服役时,缺陷对材料的疲劳影响不可忽视。传统粉末冶金材料的研究经验表明,类似的介观缺陷对疲劳损伤行为起到显著作用。因此,为保障轻金属3D打印材料的使用安全,对其疲劳损伤机制和裂纹演化规律进行实验,评价方法和模拟表征,并与传统材料的疲劳损伤机制异同展开比较研究十分必要。本项目拟在3D打印航空铝合金、钛合金中,通过SEM原位和旋转弯曲疲劳试验技术,揭示这些材料的疲劳介观损伤机制和疲劳裂纹扩展规律,讨论材料微观组织、残余应力变化对疲劳寿命影响的定量表征方法,模拟计算材料与结构性能间的转换关系及提出逆向设计对策等展开详细研究,为其安全使用提供依据。
结项摘要
本研究以SLM-Ti6Al4V(SLM-TC4)及轧制Ti6Al4V合金为主要研究对象,通过大量实验定量表征了两种制备Ti6Al4V和SLM-AlSi10Mg合金的微观组织、疲劳裂纹扩展速率、扩展门槛值、疲劳极限以及断裂韧性之间的异同。基于寿命数据和SEM原位疲劳裂纹扩展试验认识了微结构对疲劳裂纹萌生与扩展行为的影响,从而跨尺度讨论了同一材料因制备方式的不同导致的上述关键疲劳与断裂性质差异和影响机制;同时,采用EBSD和TEM技术详细研究了SLM-Ti6Al4V和SLM-AlSi10Mg合金不同滑移系对疲劳裂纹扩展行为、裂纹扩展速率以及失效机理的影响,加深了对SLM-Ti6Al4V和SLM-AlSi10Mg合金损伤容限及失效行为的认识。主要研究内容、重要结果、关键数据及科学意义如下:.1..旋转弯曲疲劳实验获得SLM-Ti6Al4V以及轧制Ti6Al4V合金SN曲线,研究表明:增材制造方向对SLM-Ti6Al4V合金疲劳性能影响显著,SLM-Ti6Al4V合金0°样品展现出与轧制Ti6Al4V合金相似的较高疲劳极限。考虑增材制造不可避免的内部缺陷对SLM- Ti6Al4V样品疲劳极限影响,揭示了Ti6Al4V合金长裂纹应力强度因子门槛值与真空压强之间线性关系,提出了Murakami修正公式,预测了含内部缺陷的SLM-Ti6Al4V和SLM-AlSi10Mg合金疲劳(上下)极限,建立了含缺陷的SLM-TC4损伤容限KT图,提供出了合理可靠的疲劳载荷安全区,对SLM- Ti6Al4V合金的推广使用起到积极的促进作用。.2..SEM原位疲劳实验定量获得SLM-Ti6Al4V以及轧制Ti6Al4V合金疲劳裂纹扩展速率(da/dN)数据;研究表明:SLM-Ti6Al4V和SLM-AlSi10Mg合金0°与45°样品展现出较高的裂纹扩展阻力,达到轧制Ti6Al4V合金相同水平。基于样品断口稳定裂纹扩展区尺寸大小,提出了简便预测KIC的方法并得到了实验数据验证。.3..基于EBSD和TEM分析技术定量分析晶体取向对轧制Ti6Al4V合金疲劳裂纹扩展速率、ΔKth影响。揭示轧制Ti6Al4V合金样品断口表面不同类型带状特征形成机理,定量讨论Ti6Al4V合金α-Ti相(hcp晶格)发生解理断裂或塑性断裂时开动的滑移系、Schmid因子与晶体取向间关系。
项目成果
期刊论文数量(15)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(2)
专利数量(0)
A New 3D Creep-Fatigue-Elasticity Damage Interaction Diagram Based on the Total Tensile Strain Energy Density Model
基于总拉伸应变能量密度模型的新 3D 蠕变-疲劳-弹性损伤相互作用图
- DOI:10.3390/met10020274
- 发表时间:2020-02
- 期刊:Metals
- 影响因子:2.9
- 作者:Wang Q;Zhang NQ;Wang XS
- 通讯作者:Wang XS
The Effect of Bionic 3D Printed Structure Morphology on Skin Friction
仿生3D打印结构形态对皮肤摩擦的影响
- DOI:10.1115/1.4050138
- 发表时间:2021-05
- 期刊:Journal of Tribology
- 影响因子:--
- 作者:Zhang Zhihao;Ito Makoto;Wang Xishu;Liu Jinsheng
- 通讯作者:Liu Jinsheng
Influence of macrozones on the fatigue cracking behavior and fracture mechanisms of rolled Ti–6Al–4V alloy
宏观区对轧制Ti-6Al-4V合金疲劳开裂行为及断裂机制的影响
- DOI:10.1016/j.msea.2021.141824
- 发表时间:2021
- 期刊:Materials Science & Engineering A
- 影响因子:--
- 作者:Xu Zhongwei;Liu An;Wang Xishu
- 通讯作者:Wang Xishu
An efficient fatigue and creep-fatigue life prediction method by using the hysteresis energy density rate concept
利用磁滞能量密度率概念的有效疲劳和蠕变疲劳寿命预测方法
- DOI:10.1111/ffe.13230
- 发表时间:2020
- 期刊:Fatigue & Facture of Engineering Materials $ Structures
- 影响因子:--
- 作者:Wang Q;Xu ZW;Wang XS
- 通讯作者:Wang XS
Experimental and modeling study on small fatigue crack initiation and propagation behavior of Inconel 617
Inconel 617小疲劳裂纹萌生和扩展行为的实验和模型研究
- DOI:10.1016/j.ijfatigue.2022.107158
- 发表时间:2022-07
- 期刊:International Journal of Fatigue
- 影响因子:6
- 作者:Liang zhun;Liu an;Wang xishu;Zhang naiqiang
- 通讯作者:Zhang naiqiang
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其他文献
氧化涂层对2024-T4铝合金的疲劳性能的改善
- DOI:--
- 发表时间:2014
- 期刊:Materials
- 影响因子:3.4
- 作者:王习术;Guo Xing-Wu;Li Xu-Dong;Ge Dong-Yun
- 通讯作者:Ge Dong-Yun
表面撞击坑对高铁车辆空心车轴运行安全性评估的影响
- DOI:10.13340/j.cae.2016.06.011
- 发表时间:2016
- 期刊:计算机辅助工程
- 影响因子:--
- 作者:徐忠伟;吴圣川;康国政;王习术
- 通讯作者:王习术
Fatigue properties of age-hardened Al alloy 2017-T4 under ultrasonic loading
时效硬化铝合金2017-T4超声加载下的疲劳性能
- DOI:10.1063/2.1203108
- 发表时间:2012
- 期刊:Theoretical and Applied Mechanics Letters
- 影响因子:3.4
- 作者:燕怒;王清远;王习术
- 通讯作者:王习术
氧化涂层与基体临界失效应力的扫描电镜原位试验研究
- DOI:10.1631/jzus.a1500178
- 发表时间:--
- 期刊:Journal of Zhejiang University-SCIENCE A (Applied Physics & Engineering)
- 影响因子:--
- 作者:王习术;郭兴伍
- 通讯作者:郭兴伍
腐蚀媒介对结构铝合金的疲劳性能影响研究
- DOI:--
- 发表时间:2016
- 期刊:Metals
- 影响因子:2.9
- 作者:阳辉辉;王艳玲;王习术
- 通讯作者:王习术
其他文献
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