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近日，西南交通大學(xué)在增材材料疲勞性能評價(jià)方向取得重要進(jìn)展，并在國際疲勞領(lǐng)域頂級(jí)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(hào) U2032121）、歐洲研究委員會(huì)（資助號(hào) 695638）等項(xiàng)目、機(jī)構(gòu)的支持。同時(shí)，本工作受邀在2021年ASTM國際增材制造會(huì)議上特邀報(bào)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(dòng)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(diǎn)，為多源損傷行為的發(fā)生提供了便利條件，需要重點(diǎn)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(duì)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(huì)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(diǎn)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(shí)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(jì)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(shí)驗(yàn)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(yàn)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(jì)算裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)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(gè)缺陷位于或幾乎位于與加載軸相垂直的同一個(gè)平面上時(shí)。在兩個(gè)非絕對共面的裂紋擴(kuò)展過程中，當(dāng)兩個(gè)裂紋開始重疊時(shí)就會(huì)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(gè)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(shí)的原位實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，但當(dāng)多個(gè)缺陷協(xié)同誘導(dǎo)疲勞開裂時(shí)，將給出非保守的計(jì)算結(jié)果。總之，本工作提出smFCG模型可以描述斷裂表面多個(gè)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。