墨尔本理工大学：一种量化增材制造疲劳数据不确定性的方法

近日皇家墨尔本理工大学和科罗拉多矿业大学等科研院所的研究人员提出了一种表征增材制造疲劳试验数据适用性的方法。该方法考虑了增材制造的特定过程，设计和材料方面。可用于确定报告数据与特定场景的相关性，并为增材制造疲劳研究人员提供有效报告所需文件指导。使用公开的粉末床熔融Ti-6Al-4V疲劳数据证明了所提出的方法，深入了解了报告数据的总体质量，检查了大量（N>30）数据集，以了解设计和工艺变量的影响如何影响疲劳响应。相关研究成果以“Fatigue test data applicability for additive manufacture: A method for quantifying the uncertainty of AM fatigue data”为题，发表于材料科学TOP期刊《Materials & Design》。

已经公布的疲劳数据对疲劳限制系统的设计至关重要，因为它减少了对昂贵且耗时的定制疲劳测试的需求。这一公布的数据尤其与新兴材料和制造技术(如增材制造)的特征有关。当疲劳数据没有充分记录时，由于疲劳响应的不确定性，其对设计的实用性可能会受到限制。材料的疲劳响应主要受载荷和环境、材料和微观结构、部件几何形状和几何缺陷的影响。这些因素的贡献可概括如下：

载荷和环境：改变疲劳载荷条件会导致其他类似材料和制造条件下的疲劳响应发生变化。例如，低周疲劳响应主要由裂纹扩展主导，而块状材料特性在很大程度上主导了观察到的疲劳强度。高周疲劳，主要是裂纹萌生，其中表面缺陷影响更大。

材料和显微组织影响疲劳响应：这一影响在粉末床熔化(PBF)中非常明显，与其他制造方法(如铸造)相比，PBF具有快速凝固(因此具有明显的微观结构)。例如电子束增材制造中较高的相对加工温度，残余应力被降低。热处理通常用于消除部件中的残余应力，这也会导致更粗糙的显微组织。热等静压(HIP)由于高温和等静压的结合，通过消除内部气孔改善疲劳响应。

表1 根据ASTM E468-18为金属材料的疲劳报告选定的疲劳文件标准

表2 增材制造文件标准选自ASTM F2971-21标准，用于报告增材制造公司制备的试验样品的数据

增材制造的使用在高价值商业应用中变得越来越普遍，包括疲劳限制组件。然而为了自信地采用这些安全、关键、高价值应用报告的增材制造疲劳测试数据，强大的支持文档是必不可少的。这项研究提出的增材制造疲劳试验报告适用性指标代表了现有方法在量化疲劳试验数据对增材制造适用性方面的重大进步。这些指标可以用来评价已发表的增材制造疲劳试验数据的质量，帮助设计人员识别高适用性的数据，并识别低适用性的领域，这些领域可能是进一步研究的目标。该研究还强调了高度相关的增材制造合金(Ti-6Al-4V)文件的不足，强调了对增材制造疲劳数据进行严格评估的必要性。最后这项研究中使用的粉末床熔融Ti-6Al-4V大型数据集为增材制造疲劳反应中可能发生的变异性提供了有价值的见解，特别是与制造，抛光和热等静压样品有关。这些数据为未来研究感兴趣的独立变量提供了宝贵的资源。