帕多瓦大学顶刊丨选区激光熔化增材制造Ti6Al4V合金的疲劳极限预测方法
摘要
随着近期增材制造技术的不断发展，引发了缺陷下结构完整性评估问题。为定量评估增材制造Ti6Al4V合金试样疲劳性能，该文以断裂力学理论为基础，定义了与缺陷面积参数相关的等效裂纹尺寸，实现了该材料疲劳极限的准确预测。具体而言，基于极值统计理论量化分析了材料中的最大缺陷面积参数分布，并基于试验数据验证了提出的方法的准确性。
引用: D. Rigon, F. Coppola, G. Meneghetti. Fracture mechanics-based analysis of the fatigue limit of Ti6Al4V alloy specimens manufactured by SLM in as-built surface conditions by means of areal measurements. Engineering Fracture Mechanics, 2024, 295(23): 109720.
研究方法
为量化缺陷对疲劳行为的影响，该研究基于缺陷面积参数估计增材制造Ti6Al4V合金的疲劳极限，并基于极值统计理论定义等效裂纹尺寸，图1为试验测得断口及裂纹形貌。具体而言，该等效裂纹尺寸可基于三个假设推导：（1）基于Sv和Rsm定义的周期性裂纹；（2）深度等于Sv的周向裂纹；（3）深度等于Sv的半圆裂纹。进一步将上述假设与Atzori, Lazzarin和Meneghetti提出理论模型（ALM模型）相结合，即可建立其裂纹扩展模型，其中材料参数基于Rigon和Meneghetti所提经验模型估计。最后，该文将模型预测疲劳极限与试验数据进行了对比，验证了所提模型的准确性。
图1 试样断面分析结果。(a-b)高应力幅试样断裂面及裂纹放大图；(c-d)高应力幅试样断裂面及裂纹放大图 
图2 基于原始数据与预处理数据求解的Sv,max对比
图3 三种裂纹假设下预测裂纹扩展阈值对比。(a) 周期裂纹；(b) 周向裂纹；(c) 半圆裂纹
结论及应用前景
该文以断裂力学方法为基础，估算了增材制造Ti6Al4V合金的疲劳裂纹扩展阈值，并与试验结果进行了对比。具体而言，通过结合ALM模型与三种等效缺陷尺寸假设（即周期性裂纹、周向裂纹与半圆裂纹），实现了增材制造材料缺陷特性表征与疲劳寿命预测。主要结论如下：
