丹麦奥胡斯大学-Welding in the World：影响增材制造Ti-6Al-4V部件疲劳强度的因素

2023年12月，丹麦奥胡斯大学的Anders Rygg Johnsen等在Welding in the World上发表题为“Factors affecting the fatigue strength of additively manufactured Ti-6Al-4V parts”（影响增材制造Ti-6Al-4V部件疲劳强度的因素）的文章。该文的组织结构如下：第2节介绍了当前增材制造技术的发展状况，包括应用领域和未来挑战。第3节对问题进行了详细定义，然后介绍了在给定限制条件下的疲劳数据提取。第4节提出了疲劳强度与影响因素之间的经验关系，并在一个小节中详细介绍了每个影响因素。这些因素包括平均应力、热处理、表面粗糙度、建造方向和生产技术。此外，还对一些工作因素进行了小节介绍，但没有得出具有代表性的结论。第5节介绍了所有提取的数据和修正后的S-N曲线。第6节讨论了当前结果和现有文献，其中特别关注模型的优化、验证和应用。

文中用到的专业术语如下：

部分内容如下： 第4小节：

图1 系列1至66的未校正数据点 位于107、3·10⁷、4· 10⁷和5 · 10⁷循环处的垂直线上的点为终止载荷

图2 系列67至132的未校正数据点 位于10⁶、2· 10⁶和10⁷次循环处的垂直线上的点为终止载荷

图3 σ_U作为α-lath厚度(左)及作为1/√α的函数绘制

图4 根据Kasperovich和豪斯曼的研究，通过热等静压和工艺优化降低孔隙率

第5小节：

图5 报告Ra的所有点的S-N曲线 ，已应用k_surf、k_HIP、k_mean和k_BD

图6报告Ra和AB表面的所有点的S-N曲线。已应用k_surf、k_mean和k_BD

图7报告Ra和M或P表面的所有点的S-N曲线。已应用k_surf、k_HIP、k_mean和k_BD

图8具有M或P曲面的所有点的S-N曲线。已应用k_surf、k_HIP、k_mean和k_BD

图9所有点的优化S-N曲线，具有Ra值，应用了所有校正因子

图10优化了所有点的S-N曲线，具有Ra值和AB曲面。应用除HIP外的所有校正系数

图11适用于M或P曲面的所有点的优化S-N曲线，并应用所有校正因子

（完整文章内容请阅读原文）

主要结论如下： 本文通过考虑常用的 Ti-6Al-4V 零件，对 AM 材料的疲劳性能进行了分析，确定了校正系数，以量化疲劳性能。研究发现，所生产零件的失效受基于表面和内部缺陷特征的分层关系制约。这种关系可以用 MIS 模型来解释，在该模型中，通过将表面粗糙度和内部缺陷尺寸降至临界值以下，从而使金字塔向上移动，可以改善疲劳性能。因此，在设计时，首先应确定表面状态。如果表面无法加工或处理，且 AB Ra > 1μm 时，应仅考虑 S 域的疲劳性能。如果表面可以处理或 AB 表面质量足够好，且 Ra < 1μm，则还应考虑应采用 I 域中的修正系数。当Ra ≤ 1μm且内部缺陷尺寸小于一个临界值，即裂纹面积≤ 4.52μm时，显微组织控制疲劳。 本文的目的不是要包括所有现有的研究与AM的Ti-6Al-4V合金，但提供一个概述，研究人员了解重要的和迫在眉睫的研究问题、在这一领域的疲劳性能的影响因素。 本文对Ti-6Al-4V合金的AM疲劳数据进行了分析。为了减少由于不同的失效模式的分散，已经提出了两个参考S-N曲线;一个描述主要由于表面裂纹而失效的试样，另一个曲线描述裂纹从内部缺陷和微观结构特征开始的试样。修正模型曲线的因素已被建议，通过识别的限制，基于对开发的MIS模型的影响程度。可用的数据可能包括材料条件之间的一些变化，因为零件是在过去几年中使用不同的设备，粉末和工艺参数制造的。在这项工作中提供的建议可能是保守的相比，在一个单一的实验研究中获得的单一测试数据。因此，应进行更多的研究，以确定修正因子，以充分了解这种AM材料的疲劳性能的机制。这些进一步的工作应包括不确定的结果，如残余应力状态，尺寸效应和加载。 原文链接：https://doi.org/10.1007/s40194-023-01604-5