IJP: 積層造形法で製造された316Lステンレス鋼の繰返し塑性と疲労挙動に関する実験的研究と数値シミュレーション

3D プリンティング (AM) には、設計の柔軟性の向上や生産時間の短縮など、従来の製造方法に比べていくつかの利点があります。これらの利点により、AM 技術は徐々に従来の人工金属に取って代わるようになりました。特に、粉末床溶融レーザービーム（PBF-LB）によって製造された316Lステンレス鋼は、原子力などの重要な用途でますます使用されています。したがって、AM 316L の周期的塑性と疲労挙動を予測することは、これらの用途における構造的完全性を確保するために非常に重要です。 KTH 王立工科大学の Subasic らは、積層造形された 316L ステンレス鋼の周期的塑性解析用構成モデルの緊急の必要性に基づき、室温と 300 °C でのさまざまな構築方向における周期的ヒステリシスループに基づいて、316L ステンレス鋼の異方性特性に関する実験的研究を実施しました。 3 次元バックマッピングアルゴリズムで、Armstrong-Frederick 非線形移動硬化、Voce 非線形等方性硬化、および Hill 異方性降伏基準を組み合わせた包括的な構成モデルが提案されています。モデルは 0° および 90° 方向の試験片で較正され、45° 方向の試験片で検証されました。硬化パラメータの単一セットは、室温でのさまざまな方向に対する弾塑性応答を適切に表現します。高温では一貫して硬化が減少する傾向が見られましたが、45° の試験片方向では一貫して最も高い程度のひずみ硬化が見られました。安定ヒステリシスループのエネルギー散逸を計算し、疲労試験と組み合わせることで、エネルギーベースの疲労寿命予測モデルを提案し、モデルの適用性を検証した。

図 1. RT および 300 °C での引張試験、0 °C、45 °C、90 ° 方向で引張試験を受けた試験片図 1 のエンジニアリング応力-ひずみ曲線は、RT および 300 °C で 0 °、45 °、90 ° 方向で実行された単軸引張試験の結果を示しています。注目すべきは、どちらの温度でも、水平方向では 45 度のサンプルの強度が最も高く、次に 90 度のサンプルが続き、垂直方向では 0 度のサンプルの強度が最も低いことです。この傾向は、荷重方向に対するビルド層の垂直方向の配向と、ビルド方向に沿った細長い粒子の材料特性微細構造に起因すると考えられます。図 1 に示すように、垂直 0° 試験片では、荷重方向に沿って大きな細長い粒子が見られます。これにより転位の動きが促進され、垂直サンプルが弱くなります。対照的に、水平方向の 90 度および 45 度の試験片の粒子は両方とも大幅に微細化しており、転位の動きを妨げ、ひずみ硬化を高めることができます。

図 2. RT方向の(a) 0°と(b) 90°、および300°C方向の(c) 0°と(d) 90°における実験とモデルの繰返し弾塑性応力-ひずみ曲線。実験ヒステリシスループとHill異方性降伏基準を使用した弾塑性モデルシミュレーションの結果を図2に示します。 AM 金属は 300 °C でより顕著な異方性を示し、方向によって異なる運動学的硬化パラメータが生じます。 300 °C のサイクル試験と室温試験を比較すると、前者の方が硬化挙動が低いことが示されました。具体的には、図 2b および d では、90° 試験片は、図 2a および c に示されている 0° 試験片よりも明らかな硬化挙動を示しています。

図 3. 0° 配向での AM 316L の疲労寿命と 300 °C での従来の 304L の疲労寿命図 4. 0° 配向での AM 316L と従来の 304L 配向での疲労試験の単一サイクルエネルギー散逸図 4 は、AM 316L と従来の 304L の疲労寿命の違いをさらに示しており、サイクルあたりのエネルギー密度散逸は計算塑性アルゴリズムを使用して計算されています。 AM 316L の場合、高エネルギー消費領域では、エネルギー消費曲線は低エネルギー消費領域のものと似ており、故障サイクルはわずかに長くなります。サイクルあたりのエネルギー消費量は、各疲労試験の安定したヒステリシスループを分析することによって決定されます。 300 °C での 0.4% サイクルテストから得られた硬化パラメータは、ひずみ振幅が 0.2% から 0.5% まで変化するすべての疲労テストに使用されました。

最終的に、以下の結論が導き出されました。室温と 300 °C では、AM 316L ステンレス鋼の剛性、降伏強度、強度に対する異方性の大きな影響が観察され、45 °C サンプルの異方性値は 0 °C サンプルの値よりも 8 ～ 10% 高かった。

300 °C での最大ピーク応力は、RT と比較して大幅に減少します。ただし、座屈前の極限ひずみ振幅は両方の温度で同様です。

実験結果から、異なる方向にある試験片の周期的硬化挙動には大きな違いがあることが明らかになりました。 45°の試験片配向は、一貫して最も高いひずみ硬化度を示しました。

低サイクル疲労条件下での AM 316L ステンレス鋼の疲労寿命を予測するためのエネルギーベースの疲労寿命予測モデルが提案されています。

関連する研究結果は、「積層造形された316 Lステンレス鋼の周期的塑性および疲労挙動の実験的調査および数値モデル化」というタイトルでInternational Journal of Plasticityに掲載されました（VOL. 176、2024年5月、103966）。論文の筆頭著者および責任著者はM.Subasicです。

論文リンク: https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2024.103966

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