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力學所在增材制造钛合金疲勞性能研究中取得進展

2020-05-22 力學研究所
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  增材制造(又稱3D打印)作爲一種新型制造方式,具有制造快捷、節省材料和用戶可定制等優點,越來越受到航空、航天、汽車、醫療器械等領域的重視。由于工業應用領域的需求,增材制造材料的疲勞性能(尤其是超高周疲勞性能)和相應的疲勞機理成爲增材制造研究領域亟待解決的科學問題之一。

  中國科學院力學研究所金属材料微结构与力学性能课题组近期在增材制造钛合金(Ti-6Al-4V)疲勞特性上開展了系列研究工作。課題組對增材制造钛合金進行了疲勞性能測試,獲得了材料高周及超高周疲勞性能。通過對疲勞斷口觀察,報道了增材制造钛合金高周及超高周疲勞裂紋均萌生于材料內部孔洞及未融合缺陷,並形成“魚眼狀”斷口形貌的新現象。這和傳統鍛造金屬材料的疲勞特征與裂紋萌生機理大不相同。根據裂紋源尺寸的分布特征,構建了疲勞性能與裂紋尺寸之間的統計關聯。基于材料疲勞壽命數據和疲勞裂紋缺陷尺寸,進行了概率統計P-S-N分析,得到該材料的高周、超高周疲勞失效概率與疲勞壽命、外加載荷的關系。此外,爲進一步探索疲勞裂紋擴展特性,課題組利用原位疲勞加載裝置,獲得了不同溫度下、不同制備取向的Ti-6Al-4V裂擴展速率,揭示了不同取向增材制造钛合金疲勞裂紋擴展的機制。

  該研究不僅爲增材制造钛合金的工程應用提供了有效的疲勞性能數據。同時,對于探索增材制造钛合金的裂紋萌生及擴展機制奠定了理論基礎。

  相關工作近期發表在疲勞研究領域期刊International Journal of Fatigue,並得到國際同行的高度評價。

  該研究得到國家自然科學基金重點項目、中科院率先行動計劃項目支持。

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  图:增材制造Ti-6Al-4V材料高周、超高周疲劳及不同温度下疲劳裂纹扩展性能 (a) 高周、超高周疲劳测试试样 (b) S-N曲线 (c) 裂纹源 (d) “鱼眼状”断口形貌 (e) 裂纹源粗糙度 (f) 超高周疲劳强度统计分布 (g) 裂纹扩展原位测试试样 (h) 裂纹扩展形貌 (i) 不同温度下、不同制备取向试样,裂纹长度随疲劳周次变化。

打印 責任編輯:葉瑞優

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