IJP：增材制造316L不銹鋼循環(huán)塑性和疲勞行為的實(shí)驗研究與數(shù)值模擬
時間：2024-05-16 08:59 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
與傳統(tǒng)制造方法相比3D打印(AM)有幾個優(yōu)勢，更大的設(shè)計靈活性和減少生產(chǎn)時間。這些優(yōu)勢導(dǎo)致了AM
技術(shù)逐漸取代傳統(tǒng)的人造金屬。特別是由粉末床聚變-激光束(PBF-LB)制造的316L不銹鋼在核電等關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。因此，預(yù)測
AM 316L的循環(huán)塑性和疲勞行為對于保證這些應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)完整性至關(guān)重要。來自KTH Royal Institute of
Technology的Subasic等基于增材制造316L不銹鋼循環(huán)塑性分析本構(gòu)模型的迫切需要，在室溫和300 °C
條件下，根據(jù)不同構(gòu)建方向的循環(huán)滯回線，對其各向異性特性進(jìn)行了實(shí)驗研究。提出了一個綜合的本構(gòu)模型，將
Armstrong-Frederick非線性運(yùn)動硬化、Voce非線性各向同性硬化和Hill
各向異性屈服準(zhǔn)則結(jié)合在一個三維返回映射算法中。該模型對0 ° 和90 ° 方向的標(biāo)本進(jìn)行了校準(zhǔn)，并用45 °
方向的標(biāo)本進(jìn)行了驗證。一組單一的硬化參數(shù)成功地代表了室溫下各種取向的彈塑性響應(yīng)。在高溫下觀察到一致的降低硬化趨勢，而45 °
試樣取向始終表現(xiàn)出最高程度的應(yīng)變硬化。通過計算穩(wěn)定滯環(huán)的能量耗散，結(jié)合疲勞試驗，提出了基于能量的疲勞壽命預(yù)測模型，驗證了該模型的適用性。
在圖1中，工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線描述了在 RT 和300 °C 下在0 ° 、45 ° 和90 ° 方向進(jìn)行的單軸拉伸試驗的結(jié)果。值得注意的是，在這兩種溫度下，45度樣本的強(qiáng)度最高，其次是水平方向的90度樣本，而垂直方向的0度樣本的強(qiáng)度最低。這種趨勢可以歸因于構(gòu)建層相對于加載方向的垂直取向，以及沿構(gòu)建方向拉長顆粒的材料擁有屬性的微觀結(jié)構(gòu)。如圖1所示，垂直0 ° 試樣沿加載方向顯示出較大的細(xì)長顆粒。這有利于位錯的運(yùn)動，使垂直樣品變?nèi)酢Ｏ啾戎拢?0度試樣和45度試樣的晶粒都明顯較細(xì)，可以阻礙位錯運(yùn)動，從而導(dǎo)致更高的應(yīng)變硬化。
在圖2中呈現(xiàn)了實(shí)驗遲滯回線與采用希爾各向異性屈服準(zhǔn)則的彈塑性模型模擬的結(jié)果。AM 金屬在300 °C 時表現(xiàn)出更明顯的各向異性，導(dǎo)致不同方向的隨動硬化參數(shù)不同。將300 °C 循環(huán)試驗與室溫試驗進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)前者的硬化行為較低。具體而言，在圖2b 和 d 中，90° 的樣本顯示出比圖2a 和 c 中所示的0° 樣本更明顯的硬化行為。
圖1. 在室溫下和300 °C下進(jìn)行拉伸試驗，試樣在0 °C、45 °C 和90 °C 方向上進(jìn)行拉伸試驗
在圖1中，工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線描述了在 RT 和300 °C 下在0 ° 、45 ° 和90 ° 方向進(jìn)行的單軸拉伸試驗的結(jié)果。值得注意的是，在這兩種溫度下，45度樣本的強(qiáng)度最高，其次是水平方向的90度樣本，而垂直方向的0度樣本的強(qiáng)度最低。這種趨勢可以歸因于構(gòu)建層相對于加載方向的垂直取向，以及沿構(gòu)建方向拉長顆粒的材料擁有屬性的微觀結(jié)構(gòu)。如圖1所示，垂直0 ° 試樣沿加載方向顯示出較大的細(xì)長顆粒。這有利于位錯的運(yùn)動，使垂直樣品變?nèi)酢Ｏ啾戎拢?0度試樣和45度試樣的晶粒都明顯較細(xì)，可以阻礙位錯運(yùn)動，從而導(dǎo)致更高的應(yīng)變硬化。
圖2. 實(shí)驗和模型在 RT 方向(a)0 °和(b)90 °和300 °C方向(c)0 °和(d)90 °的循環(huán)彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變曲線
在圖2中呈現(xiàn)了實(shí)驗遲滯回線與采用希爾各向異性屈服準(zhǔn)則的彈塑性模型模擬的結(jié)果。AM 金屬在300 °C 時表現(xiàn)出更明顯的各向異性，導(dǎo)致不同方向的隨動硬化參數(shù)不同。將300 °C 循環(huán)試驗與室溫試驗進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)前者的硬化行為較低。具體而言，在圖2b 和 d 中，90° 的樣本顯示出比圖2a 和 c 中所示的0° 樣本更明顯的硬化行為。
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