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增材制造金屬材料疲勞行為的研究

2021-10-28 14:29:54·  來源：MTS系統(tǒng)公司  
　
增材制造技術(shù)(也叫做3D打印技術(shù))作為先進制造業(yè)的重要組成部分，已然成為世界各國制造業(yè)發(fā)展的重要方向。MTS系統(tǒng)公司是美國國家增材制造卓越中心(NCAME)的合作伙
增材制造技術(shù)(也叫做3D打印技術(shù))作為先進制造業(yè)的重要組成部分，已然成為世界各國制造業(yè)發(fā)展的重要方向。MTS系統(tǒng)公司是美國國家增材制造卓越中心(NCAME)的合作伙伴之一，為該中心的力學(xué)試驗室提供先進的材料力學(xué)性能測試解決方案。該中心位于美國奧本大學(xué)(Auburn University)，那里的專家分享了最近在增材制造金屬材料疲勞行為方面的研究成果。
大多數(shù)的研究表明，利用增材制造技術(shù)制備的金屬材料零件與傳統(tǒng)鍛造工藝制備的零件相比，抗疲勞性能較差，相關(guān)研究人員研究了體積缺陷、表面粗糙度和微觀結(jié)構(gòu)對增材制造金屬材料疲勞行為的影響[1,2,3]。因此，需要通過調(diào)整工藝來提升增材制造技術(shù)制備的金屬材料零件抗疲勞性能，例如進行適度的表面處理以及熱處理，從下圖1可以看到提升表面粗糙度可以顯著改善LB-PBF 17-4 PH SS(激光束粉末床熔接)材料的疲勞性能[1,2]，對于其他類型的材料也有類似的報道[5]。

制造后的熱處理過程也會影響增材制造金屬材料的疲勞性能[2,4]，例如圖2所示LB-PBF 17-4 PH SS在不同的熱處理工藝下，抗疲勞性能特性也有了相應(yīng)的提高[1]。

有趣的是，增材制造金屬材料的疲勞裂紋擴展過程與鍛造工藝金屬材料在穩(wěn)定裂紋擴展區(qū)域相差不大，例如圖3所示，LB-PBF 17-4 PH SS與鍛造材料相比幾乎具有相同的疲勞裂紋擴展行為[6]，但是在不穩(wěn)定的裂紋擴展區(qū)域則表現(xiàn)出更高的裂紋擴展速率。

參考文獻

[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系統(tǒng)公司是美國國家增材制造卓越中心(NCAME)的合作伙伴之一，為該中心的力學(xué)試驗室提供先進的材料力學(xué)性能測試解決方案。該中心的材料力學(xué)性能試驗室內(nèi)擁有多臺MTS 810、Landmark(落地式和桌面式)、Bionix 拉扭組合、809 拉扭組合等力學(xué)性能測試系統(tǒng)。
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