選択的レーザー溶融法によるTi6Al4V合金の疲労限度予測法

出典: Additive Manufacturing Master and Doctor Alliance

近年の積層造形技術の発展により、欠陥下での構造健全性評価の問題が浮上しています。本論文では、積層造形法で製造されたTi6Al4V合金試験片の疲労特性を定量的に評価するために、破壊力学理論に基づいて欠陥面積パラメータに関連する等価亀裂サイズを定義し、材料の疲労限界の正確な予測を達成した。具体的には、極値統計理論に基づいて材料中の最大欠陥面積パラメータの分布を定量的に解析し、実験データに基づいて提案手法の精度を検証します。

本研究では、欠陥が疲労挙動に与える影響を定量化するために、積層造形されたTi6Al4V合金の疲労限度を欠陥面積パラメータに基づいて推定し、極値統計理論に基づいて等価亀裂サイズを定義しました。図1は、実験で測定された破壊と亀裂の形態を示しています。具体的には、等価亀裂サイズは、(1) SvとRsmに基づいて定義される周期亀裂、(2) 深さがSvに等しい円周亀裂、(3) 深さがSvに等しい半円形亀裂という3つの仮定に基づいて導き出すことができます。上記の仮定を Atzori、Lazzarin、Meneghetti が提案した理論モデル (ALM モデル) とさらに組み合わせることで、Rigon と Meneghetti が提案した経験的モデルに基づいて材料パラメータを推定する亀裂伝播モデルを確立できます。最後に、モデルによって予測された疲労限界を実験データと比較し、提案されたモデルの精度を検証します。

図1. 試験片断面解析結果。 (ab) 高応力振幅試験片の破面と亀裂の拡大画像。(cd) 高応力振幅試験片の破面と亀裂の拡大画像。
外観を表示<br /> 具体的には、本論文ではまず、図 2 に示すように、元のデータと前処理されたデータに基づいて解決された Sv,max を比較します。結果は、データの前処理が Sv,max に与える影響はごくわずかであることを示しています。解決された Sv,max に従って、積層造形された Ti6Al4V 合金の疲労亀裂成長閾値がさらに計算されました (図 3 を参照)。等価亀裂サイズは試験片ゲージ部の表面積の最大推定値であるため、臨界欠陥サイズとも強い相関関係があり、亀裂発生点における破壊特性を解析することで臨界欠陥を特定することができます。図 3a からわかるように、周期的亀裂仮説と ALM モデルを組み合わせると非保守的な予測結果が得られ、一部のデータポイントは理論曲線から大きく外れます。図 3b からわかるように、円周亀裂仮説の予測曲線はテストデータから大きく逸脱しており、一般的に保守的な予測結果が得られます。図3cからわかるように、半円形亀裂仮説とALMモデルに基づく予測精度は高く、予測曲線は実験データと非常によく一致しており、半円形亀裂仮説とALMモデルの結合の合理性を検証しています。公式アカウント「Additive Manufacturing Master and Doctor Alliance」をフォローして、付加製造の研究とエンジニアリングの応用に焦点を当てた大量の付加材料を無料で入手しましょう。
図 2 元のデータと前処理データに基づく Sv,max の比較図 3 3 つの亀裂仮定の下で予測される亀裂伸展閾値の比較。 (a) 周期的亀裂、(b) 円周亀裂、(c) 半円形亀裂
結論と応用の展望

本論文では、破壊力学法に基づいて、積層造形された Ti6Al4V 合金の疲労亀裂成長閾値を推定し、それを実験結果と比較します。具体的には、ALM モデルを 3 つの等価欠陥サイズの仮定 (周期的亀裂、円周亀裂、半円形亀裂) と組み合わせることで、積層造形材料の欠陥特性の評価と疲労寿命の予測を実現します。主な結論は次のとおりです。

（１）欠陥特性評価におけるブロック最大値法をサンプリング基準として、欠陥面積パラメータの最大極値分布を定量化し、ALMモデルと組み合わせて積層造形材料の疲労限度分布予測モデルを提案した。
（２）３つの亀裂仮定の中で、半円形亀裂が最も優れた予測効果を示し、その予測された亀裂伸展閾値曲線は実験データと非常によく一致している。
（３）１次元粗さプロファイル測定値を同等の２次元表面測定値に変換する方法は、疲労限度の理論予測値が実験結果とわずか３．８％しか違わなかったことから、有効であることが証明された。

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