天津大学、華中科技大学等：アーク積層造形法によるステンレス鋼308Lの多軸低サイクル疲労挙動と寿命予測に関する研究

出典: WAAM アークアディティブ

ワイヤアーク積層造形法 (WAAM) は、最速の堆積速度と最低のコストで大型の構造部品や部品を製造できるため、大きな注目を集めています。オーステナイト系ステンレス鋼 (SS) は、優れた機械的特性と耐腐食性を兼ね備えており、自動車、航空宇宙、原子力産業で広く使用されています。繰り返し荷重は、オーステナイト系ステンレス鋼部品の耐用期間中に疲労破壊を引き起こすことが多く、多くの用途では、荷重条件は多軸性です。単軸荷重下でも、複雑な形状や残留応力の相互作用により、部品は軸方向応力とせん断応力が組み合わされた応力状態になることがあります。したがって、多軸応力条件下での WAAM オーステナイト系ステンレス鋼の繰り返し挙動と疲労挙動を理解することは、信頼性の高いエンジニアリングアプリケーションを提供するために重要です。

このほど、天津大学、華東理工大学、天津化学安全・設備技術重点実験室は、材料科学分野の学術誌「国際疲労ジャーナル」に「ワイヤーアーク積層造形法で製造した308Lステンレス鋼の多軸低サイクル疲労挙動と寿命予測」と題する研究成果を発表した。この研究は、WAAM 308L ステンレス鋼に対して軸荷重、ねじり荷重、軸ねじり荷重の多軸荷重下で疲労試験を実施することにより、これらの研究のギャップの一部を埋めることを目的としています。

図 1. (a) WAAM 308L ステンレス鋼板と (b) 熱間圧延 308L ステンレス鋼棒の写真図 2. WAAM 308L ステンレス鋼の微細構造 (a) は低倍率での垂直断面の光学顕微鏡 (OM) 画像、(b) は高倍率での垂直断面の逆極点図 (IPF)、(c) は高倍率での水平断面の IPF
DDは堆積方向を示します図3. 熱間圧延308Lステンレス鋼の微細構造（a）は光学顕微鏡（OM）画像、（b）は逆極点図（IPF）です
図4。疲労試験の標本図5。（d）ハーフライフフィギュア中の円形の荷重パス。 von-mise Criterionfigureを使用します異なるひずみ鋼の疲労率は、（b）単軸および（d）疲労亀裂の結果の疲労亀裂の結果であり、等価幅程度である（dad）バンドコントラスト画像。 13。SEMおよびEBSDホットロール（HR）308Lステンレス鋼の結果（a）単軸荷重、（b）ねじれ荷重および（c）多軸荷重条件下での破壊亀裂の方向。図 14。(a) 単軸荷重、(b) ねじり荷重、(c) 多軸荷重下での WAAM 308L ステンレス鋼の破壊亀裂の方向。図 15。異なる臨界平面法を使用した熱間圧延 (HR) 308L ステンレス鋼の疲労寿命の予測結果: (a) (b) SWT、(c) (d) FS、(e) (f) CXH (T)、(g) (h) CXH (S) モデル。図 16。異なる臨界平面法を使用した WAAM 308L ステンレス鋼の疲労寿命の予測結果: (a) (b) SWT、(c) (d) FS、(e) (f) CXH (T)、(g) (h) CXH (S) モデル。

主な結論
（１）WAAM308L SSと熱間圧延SSの繰返し変形挙動は、単軸およびねじり荷重経路下では異なる。 WAAM 308L SS は、初期硬化後、最終的な破損まで継続的な周期的軟化を経験しますが、熱間圧延 308L SS は、初期硬化後、特定のひずみ振幅で周期的軟化を経て、周期的安定段階を経験します。しかし、多軸円形荷重経路では、WAAM 308L SS は熱間圧延 308L SS と同様の周期的変形挙動、すなわち初期の急速硬化、周期的軟化、そして最終的な破損までの周期的安定化を示しました。

（２）一軸荷重経路下では、WAAM 308L SSは周期的な軟化挙動を示すが、これは主に製造工程中の冷却速度が速いためであり、その結果、熱間圧延308L SS（後者は周期的な硬化挙動を示す）よりも転位密度が高くなります。

（３）WAAM308Lステンレス鋼は、熱間圧延材と同様の顕著な非比例硬化現象を示し、さらに大きな追加硬化能力を有しており、これは非比例硬化と粒径の間に正の相関関係があることに起因する。

（4）熱間圧延308L SSと比較して、単軸荷重条件下では、WAAM 308L SSの高ひずみ振幅（0.8％、1.0％）での疲労寿命は比較的長いが、低ひずみ振幅での疲労寿命は短くなる。これらの違いは、亀裂の発生と伝播に関連する異なる破壊メカニズムから生じます。ねじり荷重を受けると、WAAM 308L SS の疲労寿命は、ひずみ振幅に関係なく、熱間圧延 308L SS よりも大幅に短くなります。これは、最大せん断応力が柱状結晶の配向と一致し、亀裂の成長が加速されるためです。しかし、同じひずみ振幅での多軸繰り返し荷重下では、WAAM と熱間圧延 308L ステンレス鋼の疲労寿命に大きな違いはありません。

（５）WAAM308Lステンレス鋼のねじり繰り返し荷重下での疲労寿命は、同じ等価ひずみ振幅を持つ単軸繰り返し荷重下での疲労寿命のわずか80％であり、HR308Lステンレス鋼の3～8倍とは大きく異なります。これは、WAAM プロセスによって多数の柱状オーステナイト粒子が生成されるという事実によるものです。したがって、早期疲労破損を防ぐために、エンジニアリングアプリケーションでは WAAM SS のねじり応力をチェックすることが不可欠です。

（６）単軸荷重下では、WAAMと熱間圧延308L SSはともに引張疲労破壊メカニズムを示す。多軸円形荷重下では、破壊メカニズムが混在します。ただし、ねじり荷重がかかると大きな違いが現れます。 WAAM 308L SS はせん断破壊メカニズムを示しましたが、熱間圧延 308L SS の破壊メカニズムは適用されたひずみレベルによって変化しました。具体的には、ひずみ振幅が大きい場合、せん断破壊から引張破壊に移行しますが、ひずみ振幅が小さい場合は、完全に引張破壊のままです。

（7）WAAMおよび熱間圧延308Lステンレス鋼の繰返し特性は、単軸疲労試験データとBasquin-Coffin-Mansonの法則を使用して得られ、WAAM 308Lの定数はb = -0.093、c = -0.898であり、熱間圧延308Lの定数はb = -0.132、c = -0.490である。熱間圧延308Lステンレス鋼とWAAM 308Lステンレス鋼のFatemi-Socieモデルのk値は、それぞれ1.476と0.079です。

（８）SWTモデルやFSモデルとは異なり、CXHモデルにはせん断損傷優位型と引張損傷優位型の２つの異なる損傷パラメータが含まれています。提案されたモデルは、さまざまな荷重条件下での熱間圧延鋼および WAAM 308L SS の疲労寿命を正確に予測するのに効果的であることが示されています。したがって、CXH モデルは、ほぼ完全な密度の AM 金属の多軸疲労寿命を予測する方法として期待されます。

連絡先著者<br /> 玄富珍氏は現在、華東理工大学の学長および党委員会副書記であり、機械動力工学学院の教授である。主にエネルギー・電力設備の設計、製造、運用、保守技術の研究に従事し、圧力容器、超々臨界蒸気タービン、原子力設備などの高温設備の強度寿命設計、安全性評価、インテリジェント検知・監視において革新的な成果を上げています。国家科学技術進歩賞で一等賞1回、二等賞1回、特別賞1回、省・部署レベルで一等賞4回、二等賞1回、中国石油化学工業連合会より青年科学技術優秀貢献賞を受賞。国家原子力プロジェクト（トピック）、国家機器プロジェクト、863プログラム、国家科学技術支援プログラム、国家自然科学基金を主導・完了し、「使用中の欠陥圧力容器の安全性評価」や「圧力機器の使用適合性評価」など、数多くの国家/業界標準の作成と研究に参加しました。彼は、国家千人人材計画、国家優秀青年基金、上海優秀人材、上海優秀規律リーダーなどのプログラムや栄誉に選ばれています。彼はまた、国家ボイラー及び圧力容器標準化技術委員会委員、教育部第7期科学技術委員会先進製造部委員、教育部圧力システム及び安全重点実験室長、原子力発電設備工学研究センター所長、および『圧力容器』副編集長でもある。

陳旭氏は天津大学の教授および博士課程の指導者であり、教育省の「大学若手教師賞」を受賞しています。主な研究分野：構造（自動車部品を含む）の健全性と信頼性、材料の疲労、損傷および破壊のメカニズム、疲労損傷検出技術、構造最適化設計など。国家重点研究開発計画の主任科学者として、科学技術部の863プロジェクト、国家自然科学基金の重点プロジェクト、国家優秀青年基金・海外青年学者協力基金プロジェクトなど、国家の重要なプロジェクトを主宰し、完成させた。成果を出した第一人者として、教育部の高等教育機関自然科学部門二等賞を受賞し、2004年には国務院から特別手当専門家を授与された。彼は 300 本以上の学術論文を発表しており、そのうち 240 本は SCI に掲載され、18 件の国内発明特許と 1 件の米国特許を取得しています。彼は現在、中国機械工学会材料部門の事務局長および中国材料研究協会疲労部門のディレクターを務めています。彼は、この分野のトップジャーナルであるInternational Journal of Fatigue (Int. J. Fatigue)の副編集長を務めており、Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures、International Journal of Structural Integrity (Int. J Structural Integrity)の編集委員も務めています。 2008年にトムソン・ロイター社の「科学研究最前線賞」を受賞し、2014年から2022年までエルゼビア社の中国高被引用学者リストに選出され、2022年には世界トップクラスの科学者の上位2%に選出された - 生涯科学的影響力ランキング。

論文引用
Yajing Li、Shuyao Zhang、Wanqi Yu、Bo Li、Fuzhen Xuan、Xu Chen。ワイヤーアーク積層造形法で製造した308Lステンレス鋼の多軸低サイクル疲労挙動と寿命予測：International Journal of Fatigue183(2024)108241。

出典: https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2024.108241

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