Усталостная прочность при высокочастотном нагружении материалов, полученных методом селективного лазерного плавления

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

На основе энтальпийной формулировки трехмерной нестационарной нелинейной задачи теплопроводности для многофазной системы проведено математическое моделирование процесса селективного лазерного плавления порошков титановых и алюминиевых сплавов для построения металлических изделий. Определены параметры геометрии единичного трека, а также однослойной и многослойной систем перекрывающихся треков в зависимости от мощности и скорости лазерного луча, что позволило оценить структуру и типы дефектов, возникающих при послойной печати образцов. Для исследования влияния одиночных и множественных дефектов на усталостную прочность напечатанных образцов при высокочастотном нагружении использована предложенная ранее мультирежимная модель циклической повреждаемости. Показано, что внутренняя неоднородность микроструктуры материалов, напечатанных методом селективного лазерного плавления, может приводить к более раннему подповерхностному зарождению усталостных трещин и существенно снижать усталостную прочность и долговечность. Этот эффект сильнее проявляется для систем множественных дефектов. Предложенные модели и алгоритмы расчета позволяют рассчитать усталостную прочность и долговечность образцов для различных систем дефектов микроструктуры, соответствующих заданным характеристикам подвижного лазерного луча, а также определить диапазон параметров процесса селективного лазерного плавления, при котором будут достигаться наилучшие показатели усталостной прочности при высокочастотном нагружении.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

И. С. Никитин

Институт автоматизации проектирования РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: i_nikitin@list.ru
Россия, Москва

Н. Г. Бураго

Институт автоматизации проектирования РАН; Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Email: i_nikitin@list.ru
Россия, Москва; Москва

А. Д. Никитин

Институт автоматизации проектирования РАН

Email: i_nikitin@list.ru
Россия, Москва

Б. А. Стратула

Институт автоматизации проектирования РАН

Email: i_nikitin@list.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Dilip J.J.S., Zhang S., Teng C., Zeng K., Robinson C., Pal D., Stucker B. Influence of processing parameters on the evolution of melt pool, porosity, and microstructures in Ti-6Al-4V alloy parts fabricated by selective laser melting // Progress in Additive Manufacturing. 2017. V. 2. № 3. P. 157–167. https://doi.org/10.1007/s40964-017-0030-2
  2. Ali H., Ma L., Ghadbeigi H., Mumtaz K. In-situ residual stress reduction, martensitic decomposition and mechanical properties enhancement through high temperature powder bed pre-heating of Selective Laser Melted Ti6Al4V // Mater. Sci. Eng. A. 2017. V. 695. P. 211–220. https://doi.org/10.1016/j.msea.2017.04.033
  3. Kumar C., Das M., Biswas P. A 3-D Finite Element Analysis of Transient Temperature Profile of Laser Welded Ti-6Al-4V Alloy // Lasers Based Manufacturing, Topics in Mining, Metallurgy and Materials Engineering. S.N. Joshi and U.S. Dixit (Eds.). Springer India, 2015. https://doi.org/10.1007/978-81-322-2352-8_21
  4. Liu H., Yu H., Guo C. et al. Review on Fatigue of Additive Manufactured Metallic Alloys: Microstructure, Performance, Enhancement, and Assessment Methods // Adv. Mater. 2023. V. 36. № 17. 2306570. https://doi.org/10.1002/adma.202306570
  5. Babaytsev A.V., Orekhov A.A., Rabinskiy L.N. Properties and microstructure of AlSi10Mg samples obtained by selective laser melting // Nanosci. Techn. 2020. V. 11. № 3. P. 213–222. https://doi.org/10.1615/NanoSciTechnolIntJ.2020034207
  6. Babaytsev A., Nikitin A., Ripetskiy A. VHCF of the 3D-Printed Aluminum Alloy AlSi10Mg // Inventions. 2023. V. 8. № 1. P. 33. https://doi.org/10.3390/inventions8010033
  7. Никитин А.Д., Стратула Б.А. Моделирование циклической повреждаемости и усталостной прочности при высокочастотном нагружении 3Д-напечатанных образцов из алюминиевого сплава // Математическое моделирование и численные методы. 2024. № 1. С. 18–37. https://doi/10.18698/2309-3684-2024-1-1837
  8. Шанявский А.А., Никитин А.Д., Солдатенков А.П. Сверхмногоцикловая усталость металлов. М.: Физматлит, 2022. 496 с.
  9. Никитин И.С., Бураго Н.Г., Никитин А.Д. Повреждаемость и усталостное разрушение элементов конструкций в различных режимах циклического нагружения // Прикладная математика и механика. 2022. Т. 86. № 2. С. 276–290. https://doi/10.31857/S0032823522020084
  10. Бураго Н.Г., Никитин И.С., Никитин А.Д., Стратула Б.А. Численное моделирование усталостного разрушения на основе нелокальной теории циклической повреждаемости // Математическое моделирование. 2024. Т. 36. №. 3. С. 3–19. https://doi.org/10.20948/mm-2024-03-01
  11. White R.E. An enthalpy formulation of the Stephan problem // SIAM J. Num. Anal. 1982. V. 19. № 6. P. 1129—1157. https://www.jstor.org/stable/2157200
  12. Самарский А.А., Вабищевич П.Н. Вычислительная теплопередача. М.: Едиториал УРСС, 2009. 782 с.
  13. Гордеев Г.А., Кривилев М.Д., Анкудинов В.Е. Компьютерное моделирование селективного лазерного плавления высокодисперсных металлических порошков // Вычислительная механика сплошных сред. 2017. Т. 10. № 3. С. 293–312. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2017.10.3.23
  14. Князева А.Г. Моделирование физических и химических явлений в процессах обработки поверхностей материалов высокоэнергетическими источниками // Математическое моделирование систем и процессов. 2009. № 17. С. 66–84.
  15. Агаповичев А.В., Сотов А.В., Смелов В.Г. Математическое моделирование процесса селективного лазерного сплавления порошка титанового сплава ВТ6 // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2020. Т. 19. № 2. С. 53–62. https://doi/10.18287/2541-7533-2020-19-2-53-62
  16. Mirzade F.Kh., Niziev V.G., Panchenko V.Ya. et al. Kinetic approach in numerical modeling of melting and crystallization at laser cladding with powder injection // Physica B: Condensed Matter. 2013. V. 423. P. 69–76. https://doi.org/10.1016/j.physb.2013.04.053
  17. Ковеня В.М., Чирков Д.В. Метод конечных разностей и конечных объемов для решения задач математической физики. Новосибирск: Изд-во НГУ, 2013. 86 с.
  18. Schütz W. A history of fatigue // Eng. Fract. Mech. 1996. V. 54. № 2. P. 263–300. https://doi.org/10.1016/0013-7944(95)00178-6
  19. Bathias C., Paris P. Gigacycle fatigue in mechanical practice. Dekker. New York, 2004. P. 328. https://doi.org/10.1201/9780203020609
  20. Bathias C., Drouillac L., Le François P. How and why the fatigue S–N curve does not approach a horizontal asymptote // Int. J. Fatigue. 2001. V. 23. № 1. P. 143–151. https://doi/10.1016/S0142-1123(01)00123-2
  21. Smith R.N., Watson P., Topper T.H. A stress-strain function for the fatigue of metals // J. Materials. 1970. V. 5. P. 767–78.
  22. Gates N., Fatemi A. Multiaxial variable amplitude fatigue life analysis including notch effects // Int. J. Fatigue. 2016. V. 91. Part 2. P. 337–351. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2015.12.011
  23. Burago N.G., Nikitin I.S., Nikitin A.D., Stratula B.A. Algorithms for calculation damage processes // Frattura ed Integrità Strutturale. 2019. V. 13. № 49. P. 212–224. https://doi.org/10.3221/IGF-ESIS.49.22
  24. Jirasek M. Nonlocal models for damage and fracture: comparison of approaches // Int. J. Solids Struct. 1998. V. 35. P. 4133–4145. https://doi.org/10.1016/s0020-7683(97)00306-5
  25. Bažant Z.P., Jirásek M. Nonlocal integral formulations of plasticity and damage: Survey of progress // J. Eng. Mech. 2002. V. 128. № 11. P. 1119–1149. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9399(2002)128:11(1119)
  26. Shutov A.V., Klyuchantsev V.S. Large strain integral-based nonlocal simulation of ductile damage with application to mode-I fracture // Int. J. Plast. 2021. V. 144. 103061. https://doi/10.1016/j.ijplas.2021.103061

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Графическая схема задачи о подвижном тепловом потоке от лазерного луча 1 при его воздействии на слой порошка 2 с образованием ванны расплава 6. Цифрой 3 обозначена подвижная фазовая граница, 4 – подложка из материала в твердой фазе, 5 – остывший след лазера в виде материала в твердой фазе.

Скачать (106KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Одиночный трек СЛП в титановом сплаве, q0 = 100 Вт, v = 800 мм/с, вид сверху – a), вид на сечение трека и его сплавление с подложкой – b), где w – ширина трека, d – глубина.

Скачать (148KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Результаты расчётов ширины w – а) и глубины d – b) трека при различных скоростях движения лазерного луча v (мм/с) с учетом испарения с поверхности ванны расплава. Экспериментальные данные «1» из работы [1] сравнены с результатами расчета «2».

Скачать (170KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Наблюдаемая в электронный микроскоп структура напечатанного алюминиевого сплава, а) – вид сверху, q0 = 370 Вт, v = 650 мм/с, электронный микроскоп, b) – сечение приповерхностного слоя, q0 = 370 Вт, v = 450 мм/с, оптический микроскоп.

Скачать (341KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зоны переплавов (синий цвет – 0 переходов, жёлтый – 3 перехода, оранжевый – 4 перехода) для трехслойной печати – а), четырехслойной печати – b).

Скачать (260KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Геометрическая структура перекрывающихся треков. Верхняя часть – расчет, нижняя часть – эксперимент, оптический микроскоп.

Скачать (149KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Результаты расчета структуры дефектов для титанового сплава, a) – q0 = 50 Вт, v = 1000 мм/с, недоплавы, b) – q0 = 50 Вт, v = 500 мм/с, множественные переплавы, недоплавы отсутствуют.

Скачать (259KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Образец с острой насечкой без скругления – (a), сетки с характерным размером ячейки в окрестности вершины насечки 0.1 мм – (b), с размером 0.05 мм – (c).

Скачать (459KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Примеры расчета зарождения и развития квазитрещин. Зарождение квазитрещины – a), ее развитие до длины 1 мм – b), ее развитие до длины 2 мм – c).

Скачать (58KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Количество циклов N до зарождения трещины от острой насечки. Количество циклов в зависимости от размера сетки h – a), нормализованное количество циклов – b). Кривая 1 – без процедуры усреднения, кривая 2 – с усреднением.

Скачать (260KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Системы дефектов в образце. Концентрация напряжений на линейной системе дефектов – a), концентрация напряжений на двухслойной системе дефектов – b).

Скачать (70KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Зарождение и развитие квазитрещины на двухслойной системе дефектов. Зарождение, N =1.31Е+09 – a), развитие, N =1.33Е+09 – b).

Скачать (38KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024