天津大學(xué)-華理工等：電弧增材制造的不銹鋼308L多軸低循環(huán)疲勞行為和壽命預(yù)測研究(2)
時間：2024-09-11 10:51 來源：WAAM電弧增材 作者：admin 閱讀：次
圖 12. 在不同加載路徑下，
(a) 熱軋（HR）和 (b) WAAM 308L 不銹鋼的
等效應(yīng)變振幅與疲勞壽命的關(guān)系
圖 13. 熱軋 (HR) 308L 不銹鋼在
(a) 單軸加載、(b) 扭轉(zhuǎn)加載
和 (c) 多軸加載條件下的失效裂紋方向
圖 14. WAAM 308L 不銹鋼在
（a）單軸加載、（b）扭轉(zhuǎn)加載、
（c）多軸加載下的失效裂紋方向
圖 15. 不同臨界面方法對熱軋（HR）308L 不銹鋼
疲勞壽命的預(yù)測結(jié)果：
（a）（b）SWT；（c）（d）FS；
（e）（f）CXH（T）；（g）（h）CXH（S）模型
圖 16. 不同臨界面方法對 WAAM 308L 不銹鋼
疲勞壽命的預(yù)測結(jié)果：
（a）（b）SWT；（c）（d）FS；
（e）（f）CXH（T）；（g）（h）CXH（S）模型
關(guān)鍵結(jié)論
(1) 在單軸和扭轉(zhuǎn)加載路徑下，WAAM 308L SS 與熱軋 SS 的循環(huán)變形行為不同。WAAM 308L SS 在初始硬化后會出現(xiàn)持續(xù)的循環(huán)軟化，直至最終失效，而熱軋 308L SS 在初始硬化后會出現(xiàn)循環(huán)穩(wěn)定階段，并在一定應(yīng)變幅值下出現(xiàn)循環(huán)軟化。然而，在多軸圓形加載路徑下，WAAM 308L SS 與熱軋 308L SS 表現(xiàn)出相似的循環(huán)變形行為，即初始快速硬化、循環(huán)軟化，然后循環(huán)穩(wěn)定直至最終破壞。
(2)在單軸加載路徑下，WAAM 308L SS 表現(xiàn)出循環(huán)軟化行為，這主要是由于其在制造過程中冷卻速度較快，導(dǎo)致位錯密度高于熱軋 308L SS（后者表現(xiàn)出循環(huán)硬化行為）。
(3)WAAM 308L不銹鋼表現(xiàn)出與熱軋材料類似的顯著非比例硬化現(xiàn)象，并且具有更大的額外硬化能力，這歸因于非比例硬化與晶粒尺寸之間的正相關(guān)關(guān)系。
(4) 與熱軋 308L SS 相比，在單軸加載條件下，WAAM 308L SS 在高應(yīng)變振幅（0.8 %、1.0 %）下的疲勞壽命相對較長，但在低應(yīng)變振幅下的疲勞壽命較短。這些差異源于與裂紋起始和擴(kuò)展相關(guān)的不同失效機(jī)制。在承受扭轉(zhuǎn)載荷時，無論應(yīng)變振幅如何，WAAM 308L SS 的疲勞壽命都明顯短于熱軋 308L SS，這是由于最大剪應(yīng)力與柱狀晶粒取向一致，加速了裂紋擴(kuò)展。然而，在應(yīng)變振幅相同的多軸循環(huán)加載情況下，WAAM 和熱軋 308L 不銹鋼的疲勞壽命并無明顯差異。
(5) WAAM 308L 不銹鋼在扭轉(zhuǎn)循環(huán)加載條件下的疲勞壽命僅為相同等效應(yīng)變幅值的單軸循環(huán)加載條件下的 80%，與 HR 308L 不銹鋼的 3-8 倍有顯著差異。這是由于 WAAM 工藝產(chǎn)生了大量柱狀奧氏體晶粒。因此，在工程應(yīng)用中必須優(yōu)先檢查 WAAM SS 的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，以防止過早出現(xiàn)疲勞失效。
(6) 在單軸加載下，WAAM 和熱軋 308L SS 都表現(xiàn)出拉伸疲勞失效機(jī)制。在多軸圓形載荷下，失效機(jī)理變得混合。但在扭轉(zhuǎn)載荷下則出現(xiàn)了明顯的差異。WAAM 308L SS 顯示出一種剪切失效機(jī)制，而熱軋 308L SS 的失效機(jī)制則隨施加的應(yīng)變水平而變化。具體來說，在較大的應(yīng)變振幅下，會從剪切失效轉(zhuǎn)變?yōu)槔焓В谳^小的應(yīng)變振幅下，仍然完全是拉伸失效。
(7) 使用單軸疲勞試驗數(shù)據(jù)和 Basquin-Coffin-Manson 法則獲得了 WAAM 和熱軋 308L 不銹鋼的循環(huán)特性，其中 WAAM 308L 的常數(shù) b = -0.093，c = -0.898；熱軋 308L 的常數(shù) b = -0.132，c = -0.490。熱軋 308L 不銹鋼和 WAAM 308L 不銹鋼的 Fatemi-Socie 模型 k 值分別為 1.476 和 0.079。
(8) 與 SWT 和 FS 模型不同，CXH 模型包含兩種不同的損傷參數(shù)：剪切損傷主導(dǎo)型和拉伸損傷主導(dǎo)型。事實證明，該模型能更有效地準(zhǔn)確預(yù)測熱軋和 WAAM 308L SS 在各種加載條件下的疲勞壽命。因此，CXH 模型有望成為預(yù)測近乎全致密 AM 金屬多軸疲勞壽命的一種方法。
通訊作者
軒福貞，現(xiàn)任華東理工大學(xué)校長、黨委副書記，機(jī)械與動力工程學(xué)院教授。主要從事能源與動力裝備的設(shè)計、制造與運行維護(hù)技術(shù)研究，在壓力容器、超超臨界汽輪機(jī)、核電裝備等高溫設(shè)備的強(qiáng)度與壽命設(shè)計、安全評價及智能檢測/監(jiān)測方面取得創(chuàng)新成果。獲國家科技進(jìn)步一等獎1項、二等獎1項，省部級特等獎1項、一等獎4項、二等獎1項，中國石油與化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會青年科技突出貢獻(xiàn)獎。主持完成國家核電重大專項（課題）、國家儀器專項、863計劃、國家科技支撐計劃、國家自然科學(xué)基金等課題，參加《在役含缺陷壓力容器安全評定》、《承壓設(shè)備合于使用評價》等多項國家/行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的編制及研究工作。先后入選國家萬人計劃領(lǐng)軍人才、國家杰出青年基金、上海市領(lǐng)軍人才、上海市優(yōu)秀學(xué)科帶頭人等計劃或榮譽。兼任全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會委員、教育部第七屆科技委先進(jìn)制造學(xué)部委員、承壓系統(tǒng)與安全教育部重點實驗室主任、核電裝備工程研究中心主任、壓力容器副主編等。
陳旭，天津大學(xué)講席教授，博士生導(dǎo)師，教育部“高校青年教師獎”獲得者。主要研究方向：結(jié)構(gòu)（包括汽車零部件）完整性和可靠性、材料疲勞，損傷和斷裂機(jī)制、疲勞損傷檢測技術(shù)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等。擔(dān)任國家重點研發(fā)計劃項目首席科學(xué)家，已主持完成科技部863項目、國家自然科學(xué)基金重點項目、國家杰出青年基金-海外青年學(xué)者合作基金項目等重要國家級項目。以第一成果人獲得教育部高等學(xué)校自然科學(xué)二等獎；2004年獲國務(wù)院特貼專家。已發(fā)表學(xué)術(shù)論文300余篇，其中被SCI收錄240篇，獲國家發(fā)明專利18項，美國專利1項。現(xiàn)擔(dān)任中國機(jī)械工程學(xué)會材料分會常務(wù)理事、中國材料研究會疲勞分會理事。擔(dān)任本領(lǐng)域頂級期刊國際疲勞雜志（Int. J. Fatigue）副主編, 工程材料和結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂（Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures）雜志，國際結(jié)構(gòu)完整性（Int. J Structural Integrity）雜志編委。2008年獲湯姆森路透“Scientific Research Fronts Award“，2014至2022連續(xù)入選Elsevier中國高被引學(xué)者榜單，2022年入選全球前2%頂尖科學(xué)家-終身科學(xué)影響力排行榜。
論文引用
Yajing Li, Shuyao Zhang, Wanqi Yu, Bo Li, Fuzhen Xuan, Xu Chen. Multiaxial low cycle fatigue behavior and life prediction of wire arc additive manufactured 308L stainless steel: International Journal of Fatigue183(2024)108241.
DOI:https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2024.108241
(責(zé)任編輯：admin)
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