天津大學-華理工等：電弧增材制造的不銹鋼308L多軸低循環疲勞行為和壽命預測研究(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
等效應變振幅與疲勞壽命的關系
圖 13. 熱軋 (HR) 308L 不銹鋼在
(a) 單軸加載、(b) 扭轉加載
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
疲勞壽命的預測結果：
（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
疲勞壽命的預測結果：
（a）（b）SWT；（c）（d）FS；
（e）（f）CXH（T）；（g）（h）CXH（S）模型
關鍵結論
(1) 在單軸和扭轉加載路徑下，WAAM 308L SS 與熱軋 SS 的循環變形行為不同。WAAM 308L SS 在初始硬化后會出現持續的循環軟化，直至最終失效，而熱軋 308L SS 在初始硬化后會出現循環穩定階段，并在一定應變幅值下出現循環軟化。然而，在多軸圓形加載路徑下，WAAM 308L SS 與熱軋 308L SS 表現出相似的循環變形行為，即初始快速硬化、循環軟化，然后循環穩定直至最終破壞。
(2)在單軸加載路徑下，WAAM 308L SS 表現出循環軟化行為，這主要是由于其在制造過程中冷卻速度較快，導致位錯密度高于熱軋 308L SS（后者表現出循環硬化行為）。
(3)WAAM 308L不銹鋼表現出與熱軋材料類似的顯著非比例硬化現象，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關系。
(4) 與熱軋 308L SS 相比，在單軸加載條件下，WAAM 308L SS 在高應變振幅（0.8 %、1.0 %）下的疲勞壽命相對較長，但在低應變振幅下的疲勞壽命較短。這些差異源于與裂紋起始和擴展相關的不同失效機制。在承受扭轉載荷時，無論應變振幅如何，WAAM 308L SS 的疲勞壽命都明顯短于熱軋 308L SS，這是由于最大剪應力與柱狀晶粒取向一致，加速了裂紋擴展。然而，在應變振幅相同的多軸循環加載情況下，WAAM 和熱軋 308L 不銹鋼的疲勞壽命并無明顯差異。
(5) WAAM 308L 不銹鋼在扭轉循環加載條件下的疲勞壽命僅為相同等效應變幅值的單軸循環加載條件下的 80%，與 HR 308L 不銹鋼的 3-8 倍有顯著差異。這是由于 WAAM 工藝產生了大量柱狀奧氏體晶粒。因此，在工程應用中必須優先檢查 WAAM SS 的扭轉應力，以防止過早出現疲勞失效。
(6) 在單軸加載下，WAAM 和熱軋 308L SS 都表現出拉伸疲勞失效機制。在多軸圓形載荷下，失效機理變得混合。但在扭轉載荷下則出現了明顯的差異。WAAM 308L SS 顯示出一種剪切失效機制，而熱軋 308L SS 的失效機制則隨施加的應變水平而變化。具體來說，在較大的應變振幅下，會從剪切失效轉變為拉伸失效，但在較小的應變振幅下，仍然完全是拉伸失效。
(7) 使用單軸疲勞試驗數據和 Basquin-Coffin-Manson 法則獲得了 WAAM 和熱軋 308L 不銹鋼的循環特性，其中 WAAM 308L 的常數 b = -0.093，c = -0.898；熱軋 308L 的常數 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：剪切損傷主導型和拉伸損傷主導型。事實證明，該模型能更有效地準確預測熱軋和 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，現任華東理工大學校長、黨委副書記，機械與動力工程學院教授。主要從事能源與動力裝備的設計、制造與運行維護技術研究，在壓力容器、超超臨界汽輪機、核電裝備等高溫設備的強度與壽命設計、安全評價及智能檢測/監測方面取得創新成果。獲國家科技進步一等獎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，中國石油與化學工業聯合會青年科技突出貢獻獎。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、國家自然科學基金等課題，參加《在役含缺陷壓力容器安全評定》、《承壓設備合于使用評價》等多項國家/行業標準的編制及研究工作。先后入選國家萬人計劃領軍人才、國家杰出青年基金、上海市領軍人才、上海市優秀學科帶頭人等計劃或榮譽。兼任全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會委員、教育部第七屆科技委先進制造學部委員、承壓系統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，天津大學講席教授，博士生導師，教育部“高校青年教師獎”獲得者。主要研究方向：結構（包括汽車零部件）完整性和可靠性、材料疲勞，損傷和斷裂機制、疲勞損傷檢測技術、結構優化設計等。擔任國家重點研發計劃項目首席科學家，已主持完成科技部863項目、國家自然科學基金重點項目、國家杰出青年基金-海外青年學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校自然科學二等獎；2004年獲國務院特貼專家。已發表學術論文300余篇，其中被SCI收錄240篇，獲國家發明專利18項，美國專利1項。現擔任中國機械工程學會材料分會常務理事、中國材料研究會疲勞分會理事。擔任本領域頂級期刊國際疲勞雜志（Int. J. Fatigue）副主編, 工程材料和結構的疲勞斷裂（Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures）雜志，國際結構完整性（Int. J Structural Integrity）雜志編委。2008年獲湯姆森路透“Scientific Research Fronts Award“，2014至2022連續入選Elsevier中國高被引學者榜單，2022年入選全球前2%頂尖科學家-終身科學影響力排行榜。
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
(責任編輯：admin)
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