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力学所在增材制造钛合金疲劳性能研究中取得进展

发布时间:2021-02-26 22:15 作者:扑克之星

  作为国家在科学技术方面的最高学术机构和全国自然科学与高新技术的综合研究与发展中心,建院以来,中国科学院时刻牢记使命,与科学共进,与祖国同行,以国家富强、人民幸福为己任,人才辈出,硕果累累,为我国科技进步、经济社会发展和国家安全做出了不可替代的重要贡献。更多简介 +

  中国科学技术大学(简称“中科大”)于1958年由中国科学院创建于北京,1970年学校迁至安徽省合肥市。中科大坚持“全院办校、所系结合”的办学方针,是一所以前沿科学和高新技术为主、兼有特色管理与人文学科的研究型大学。

  中国科学院大学(简称“国科大”)始建于1978年,其前身为中国科学院研究生院,2012年更名为中国科学院大学。国科大实行“科教融合”的办学体制,与中国科学院直属研究机构在管理体制、师资队伍、培养体系、科研工作等方面共有、共治、共享、共赢,是一所以研究生教育为主的独具特色的研究型大学。

  上海科技大学(简称“上科大”),由上海市人民政府与中国科学院共同举办、共同建设,2013年经教育部正式批准。上科大秉持“服务国家发展战略,培养创新创业人才”的办学方针,实现科技与教育、科教与产业、科教与创业的融合,是一所小规模、高水平、国际化的研究型、创新型大学。

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  增材制造(又称3D打印)作为一种新型制造方式,具有制造快捷、节省材料和用户可定制等优点,越来越受到航空、航天、汽车、医疗器械等领域的重视。由于工业应用领域的需求,增材制造材料的疲劳性能(尤其是超高周疲劳性能)和相应的疲劳机理成为增材制造研究领域亟待解决的科学问题之一。

  中国科学院力学研究所金属材料微结构与力学性能课题组近期在增材制造钛合金(Ti-6Al-4V)疲劳特性上开展了系列研究工作。课题组对增材制造钛合金进行了疲劳性能测试,获得了材料高周及超高周疲劳性能。通过对疲劳断口观察,报道了增材制造钛合金高周及超高周疲劳裂纹均萌生于材料内部孔洞及未融合缺陷,并形成“鱼眼状”断口形貌的新现象。这和传统锻造金属材料的疲劳特征与裂纹萌生机理大不相同。根据裂纹源尺寸的分布特征,构建了疲劳性能与裂纹尺寸之间的统计关联。基于材料疲劳寿命数据和疲劳裂纹缺陷尺寸,进行了概率统计P-S-N分析,得到该材料的高周、超高周疲劳失效概率与疲劳寿命、外加载荷的关系。此外,为进一步探索疲劳裂纹扩展特性,课题组利用原位疲劳加载装置,获得了不同温度下、不同制备取向的Ti-6Al-4V裂扩展速率,揭示了不同取向增材制造钛合金疲劳裂纹扩展的机制。

  该研究不仅为增材制造钛合金的工程应用提供了有效的疲劳性能数据。同时,对于探索增材制造钛合金的裂纹萌生及扩展机制奠定了理论基础。

  图:增材制造Ti-6Al-4V材料高周、超高周疲劳及不同温度下疲劳裂纹扩展性能 (a) 高周、超高周疲劳测试试样 (b) S-N曲线 (c) 裂纹源 (d) “鱼眼状”断口形貌 (e) 裂纹源粗糙度 (f) 超高周疲劳强度统计分布 (g) 裂纹扩展原位测试试样 (h) 裂纹扩展形貌 (i) 不同温度下、不同制备取向试样,裂纹长度随疲劳周次变化。

  增材制造(又称3D打印)作为一种新型制造方式,具有制造快捷、节省材料和用户可定制等优点,越来越受到航空、航天、汽车、医疗器械等领域的重视。由于工业应用领域的需求,增材制造材料的疲劳性能(尤其是超高周疲劳性能)和相应的疲劳机理成为增材制造研究领域亟待解决的科学问题之一。

  中国科学院力学研究所金属材料微结构与力学性能课题组近期在增材制造钛合金(Ti-6Al-4V)疲劳特性上开展了系列研究工作。课题组对增材制造钛合金进行了疲劳性能测试,获得了材料高周及超高周疲劳性能。通过对疲劳断口观察,报道了增材制造钛合金高周及超高周疲劳裂纹均萌生于材料内部孔洞及未融合缺陷,并形成“鱼眼状”断口形貌的新现象。这和传统锻造金属材料的疲劳特征与裂纹萌生机理大不相同。根据裂纹源尺寸的分布特征,构建了疲劳性能与裂纹尺寸之间的统计关联。基于材料疲劳寿命数据和疲劳裂纹缺陷尺寸,进行了概率统计P-S-N分析,得到该材料的高周、超高周疲劳失效概率与疲劳寿命、外加载荷的关系。此外,为进一步探索疲劳裂纹扩展特性,课题组利用原位疲劳加载装置,获得了不同温度下、不同制备取向的Ti-6Al-4V裂扩展速率,揭示了不同取向增材制造钛合金疲劳裂纹扩展的机制。

  该研究不仅为增材制造钛合金的工程应用提供了有效的疲劳性能数据。同时,对于探索增材制造钛合金的裂纹萌生及扩展机制奠定了理论基础。

  相关工作近期发表在疲劳研究领域期刊International Journal of Fatigue,并得到国际同行的高度评价。

  图:增材制造Ti-6Al-4V材料高周、超高周疲劳及不同温度下疲劳裂纹扩展性能 (a) 高周、超高周疲劳测试试样 (b) S-N曲线 (c) 裂纹源 (d) “鱼眼状”断口形貌 (e) 裂纹源粗糙度 (f) 超高周疲劳强度统计分布 (g) 裂纹扩展原位测试试样 (h) 裂纹扩展形貌 (i) 不同温度下、不同制备取向试样,裂纹长度随疲劳周次变化。

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