使用X射线计算机断层成像的增材制造316 L钢的疲劳损伤过程

在存在制造缺陷的情况下，循环加载下的失效是增材制造（AM）金属组件的重大风险。本研究旨在阐明过程相关缺陷（内部孔隙和表面粗糙度）与AM 316 L不锈钢疲劳性能之间的关系。采用X射线计算机断层成像（XCT）对过程相关缺陷的特征进行表征及其协同作用，以定义有效缺陷尺寸参数areaeff，从而识别潜在的疲劳裂纹起始位点，然后在循环加载下使用XCT成像监测缺陷的增长，以进一步深入了解AM不锈钢的疲劳损伤过程。为监测疲劳裂纹的起始和扩展开发了一种新的表征框架，该框架基于测量试件表面形貌在轴向和周向的变化。此外，还开发了一种基于断裂力学的分析框架，用于预测AM组件的疲劳寿命，同时考虑半椭圆表面裂纹生长过程中的长宽比变化。研究发现，疲劳寿命的显著一部分用于裂纹起始，而损伤进展主要发生在预测的最大等效缺陷尺寸上，该尺寸在疲劳测试前被检测到。因此，关键的等效缺陷尺寸可以被视为AM组件疲劳裂纹生长模型中的初始短裂纹。所提出的单裂纹生长模型，通过应用适当的表征方法以检测基于缺陷特征及其相互作用的初始半椭圆表面短裂纹，显示出作为AM组件疲劳寿命预测的工程方法的前景。该模型显示出XCT成像与所测试的AM 316 L不锈钢样品的裂纹起始和扩展阶段之间的良好相关性。