CN111579397A - 一种激光增材制造合金钢构件的疲劳寿命预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光增材制造合金钢构件的疲劳寿命预测方法，该方法首先利用实验测量材料的力学性能参数，再利用有限元软件来实现激光增材制造合金钢构件的疲劳裂纹扩展行为和寿命预测。采用本发明提出的激光增材制造合金钢构件的疲劳裂纹扩展行为和疲劳寿命预测方法能够对金属增材制造件的疲劳裂纹扩展行为和疲劳寿命有很好的预测，具有很高的工程应用价值。

Description

一种激光增材制造合金钢构件的疲劳寿命预测方法
技术领域
本发明涉及金属材料疲劳领域，具体为一种激光增材制造合金钢构件的疲劳寿命预测方法。
背景技术
激光增材制造作为制造领域革命性的前沿技术，正在全球范围内受到极大关注并快速发展。作为一种先进的制造技术，激光增材制造技术融合了计算机辅助设计、材料成型加工等技术，运用烧结、熔融等方式制造出实体金属制品。区别于传统的减材(切削等)制造方式，激光增材制造是通过金属材料的逐层累加成形的制造方法，因此可以减少产品的研制周期，提高效率并降低成本。
但在激光增材制造过程中，制造的零件常会有气孔、熔合不良以及裂纹等缺陷，这些缺陷目前很难在制造过程中完全消除，并且对零部件的服役有着至关重要的影响。因此，研究这些缺陷在零部件服役过程中的影响很有必要，疲劳裂纹及疲劳寿命预测是将激光增材制造件应用于工程实际较好的途径。
目前，疲劳裂纹扩展行为及疲劳寿命预测的研究集中于传统制造领域，在增材制造领域具有很高的工程应用价值，
发明内容
针对目前激光增材件由于自身问题无法在工程实际中全部应用，本发明的目的是提供一种激光增材制造合金钢构件的疲劳寿命预测方法，该方法能够很好的研究疲劳裂纹扩展行为和对零部件的寿命进行预测，从而将增材制造件应用于实际工程。本发明采用实验与有限元相结合的方法，以更低的成本和较快捷的方式来实现增材制造件的疲劳裂纹扩展行为和疲劳寿命预测，现有的研究手段需要依靠大量的数据和较为复杂的计算方法，本发明充分利用有限元软件和较为简单的实验，可以实现从材料数据到疲劳裂纹扩展行为和疲劳寿命预测整套分析计算。
本发明的技术方案如下：
一种激光增材制造合金钢构件的疲劳寿命预测方法，其特征在于：该方法首先利用增材制造制备试样，通过实验测得试样的弹性模量、抗拉强度、Paris公式的常数C和m。在ABAQUS软件中建立增材制造零部件的模型，进行静力求解，选择合适的预制裂纹和位置，利用软件的扩展有限元程序求解应力强度因子。在正式计算零部件的应力强度因子之前，先通过软件计算紧凑拉伸试件并与理论计算相比较验证该软件水平集法求解应力强度因子的准确性。在求解出应力强度因子后，利用之前求得的Paris公式算出疲劳裂纹扩展速率。将零部件的有限元模型和静力分析结果导入到MSC.Fatigue软件中，选择合适的疲劳分析方法，创建载荷时间历程文件并将该载荷时间历程与有限元分析工况关联起来，再导入由抗拉极限强度所得的材料S-N曲线，最后进行求解，计算出增材制造零部件的疲劳寿命云图。具体包括如下步骤：
(1)选取合适的增材制造工艺路线，制造出标准的拉伸试样和标准的CCT试样，对其进行去应力热处理；
(2)对标准拉伸试样进行拉伸实验，获得应力-应变数据，将其进行拟合成应力-应变曲线，最后得出该材料的弹性模量E和抗拉强度UTS；
(3)对标准的CCT试样进行疲劳裂纹扩展速率实验，获得单边裂纹长度a和对应的疲劳循环次数N数据，利用七点多项式对其处理得到不同数据点处的疲劳裂纹扩展速率，利用公式法对其处理得到不同数据点处的应力强度因子变化范围ΔK，将不同数据点处的疲劳裂纹扩展速率和不同数据点处的应力强度因子变化范围ΔK这两组数据在对数坐标系中进行线性拟合，得到疲劳裂纹扩展速率-应力强度因子变化范围的线性曲线，再对比Paris模型公式求得该材料Paris模型中的参数C和m；
(4)利用ABAQUS软件建立增材制造零部件的模型，对其进行静力求解，在求解结果中寻找应力最大点，在该处预制合适的裂纹，利用ABAQUS软件的扩展有限元程序求解出预制裂纹的一个载荷周期内的应力强度因子，再计算出一个载荷周期内的应力强度因子变化范围ΔK，将应力强度因子变化范围ΔK代入到步骤(3)中的Paris模型公式中，即可求解出该增材制造件的疲劳裂纹扩展速率；
(5)将步骤(4)所得的有限元模型和静力分析结果导入到MSC.Fatigue软件中，创建载荷时间历程文件，并将有限元工况与时间历程载荷关联起来，根据步骤(2)中所得到的抗拉强度UTS求出材料的S-N曲线，将该曲线导入到软件中，最后进行求解即可得到该激光增材制造件的疲劳寿命云图。
(6)上述步骤(1)所述去应力热处理工艺是升温至550℃保温3h，然后炉冷至300℃后转空冷。
本发明巧妙地将材料数据与有限元相结合，现有的分析研究手段需要依靠大量的数据和较为复杂的计算方法，本发明充分利用有限元软件和较为简单的实验，可以实现从材料数据到疲劳裂纹扩展行为和疲劳寿命预测整套分析计算。
附图说明
图1为拉伸试样的外形尺寸。
图2为拉伸试样的实物图。
图3为CCT试样的外形尺寸图。
图4为CCT试样的实物图。
图5为拉伸机实验装置。
图6为拉伸试样拉断后的实物图。
图7为三组拉伸试样的应力-应变图。
图8为拉伸试样1的拉伸曲线。
图9为疲劳裂纹扩展速率实验原理图。
图10为试样单边裂纹长度和对应的疲劳循环次数曲线图。
图11为试样不同数据点处的疲劳裂纹扩展速率曲线图。
图12为试样不同数据点处的应力强度因子变化范围曲线图。
图13为试样的应力强度因子变化范围-疲劳裂纹扩展速率曲线图。
图14为构件的有限元模型和边界条件图。
图15为构件的有限元静力分析结果图。
图16为构件的预制裂纹示意图。
图17为构件一个载荷周期内的Ⅰ型应力强度因子K的变化图。
图18为12CrNi2的S-N曲线图。
图19为构件的疲劳寿命预测图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的方案进一步详述：
试样的制备要符合相关标准，在疲劳裂纹扩展行为和疲劳寿命预测中需要用到材料的性能参数，由于制造方式的不同，这些参数不能直接查阅到，需要制备相关试样及实验来获取。
实施例1
(1)试样的制备
本发明结合实验室课题组的研究成果，选取的粉末材料为12CrNi2，加工工艺如下表所示：
Figure BDA0002477946340000051
激光熔化沉积12CrNi2的加工成本较高，所以根据《ASTM E8金属拉伸试样标准》标准选取了小尺寸的标准拉伸试样，拉伸试样的外形尺寸如图1所示，依照尺寸制造加工试样，加工完成的试样如图2所示。
根据GB/T6398-2017标准选取CCT试样，根据实际设备夹具情况，舍去加载孔的加工，试样的尺寸如图3所示，制造加工完成后的试样如图4所示。
(2)进行实验
对拉伸试样进行拉伸实验，试样的夹持及实验装置如图5所示，本实验采用引伸计对试样的变形进行测量，试样拉断后如图6所示。
拉伸实验可以获取应力-应变多组数据，首先对三组试样线弹性阶段的应力-应变曲线进行线性拟合，拟合的曲线如图7所示，拟合得到的弹性模量E的结果如下表所示：
Figure BDA0002477946340000061
提取拉伸1试样完整的拉伸曲线，如图8所示，三组试样的抗拉强度如下表所示：
Figure BDA0002477946340000062
由疲劳裂纹扩展速率曲线可以看出，在中速扩展区内，Paris常数C和m是仅与材料性能有关的常数，疲劳裂纹扩展速率实验原理图如图9所示，实验过程中，使用采样摄像头对疲劳裂纹的扩展过程进行记录，每当裂纹向前扩展0.5mm时记录一次疲劳循环次数和裂纹形态，疲劳实验机的参数如下表所示：
Figure BDA0002477946340000063
将单边裂纹长度a和对应的疲劳循环次数N绘制成曲线，如图10所示，采用七点递增多项式对图10曲线进行拟合，得到不同数据点处对应的疲劳裂纹扩展速率曲线，如图11所示；采用GB/T6398-2017《金属材料疲劳试验疲劳裂纹扩展方法》标准中的公式法对CCT试样疲劳裂纹扩展过程中ΔK(应力强度因子的变化范围)进行求解，将不同数据点处的ΔK拟合成如图12所示的曲线；将图10和图11中的曲线在对数坐标中进行拟合，拟合的曲线如图13所示，从该曲线可以得到C＝-10.25和m＝3.19。
(3)疲劳裂纹扩展行为和疲劳寿命预测
利用ABAQUS软件中的扩展有限元程序进行应力强度因子的计算，根据研究对象建立有限元模型，本实例的研究对象是柴油机凸轮轴，有限元模型及边界条件如图14所示；首先进行静力求解(图15)，确定预制裂纹的区域，预制裂纹的形状如图16所示。求解的Ⅰ型应力强度因子K如图17所示，从数据中可以得出如下表所示的结果：
Figure BDA0002477946340000071
由此，我们可以计算出裂纹扩展速率为：
Figure BDA0002477946340000072
在实验中我们得出了材料的抗拉极限强度为948.98MPa，据此可以估算出激光熔化沉积12CrNi2的S-N曲线，如图18所示。将有限元模型及静力求解结果导入到MSC.Fatigue软件中，创建载荷时间历程文件，设置图18的S-N曲线，利用小型服务器进行求解，其疲劳寿命云图如图19所示，疲劳寿命求解结果为2.59*1010次，疲劳寿命薄弱点位于支撑轴的轴肩和1-2凸轮的轴径位置。

Claims (3)

1.一种激光增材制造合金钢构件的疲劳寿命预测方法，其特征在于：该方法首先利用增材制造制备试样，通过实验测得试样的弹性模量、抗拉强度、Paris公式的常数C和m；在ABAQUS软件中建立增材制造零部件的模型，进行静力求解，选择预制裂纹和位置，利用ABAQUS软件的扩展有限元程序求解应力强度因子；在正式计算零部件的应力强度因子之前，先通过软件计算紧凑拉伸试件并与理论计算相比较验证ABAQUS软件水平集法求解应力强度因子的准确性；在求解出应力强度因子后，利用之前求得的Paris公式算出疲劳裂纹扩展速率；将零部件的有限元模型和静力分析结果导入到MSC.Fatigue软件中，选择疲劳分析方法，创建载荷时间历程文件并将该载荷时间历程与有限元分析工况关联起来，再导入由抗拉极限强度所得的材料S-N曲线，最后进行求解，计算出增材制造零部件的疲劳寿命云图。
2.根据权利要求1所述的一种激光增材制造合金钢构件的疲劳预测方法，其特征在于：该方法的具体步骤如下，
步骤(1)选取增材制造工艺路线，制造出标准的拉伸试样和标准的CCT试样，对CCT试样进行去应力热处理；
步骤(2)对标准拉伸试样进行拉伸实验，获得应力-应变数据，将应力-应变数据进行拟合成应力-应变曲线，最后得出弹性模量E和抗拉强度UTS；
步骤(3)对标准的CCT试样进行疲劳裂纹扩展速率实验，获得单边裂纹长度a和对应的疲劳循环次数N数据，利用七点多项式对其处理得到不同数据点处的疲劳裂纹扩展速率，利用公式法对其处理得到不同数据点处的应力强度因子变化范围ΔK，将不同数据点处的疲劳裂纹扩展速率和不同数据点处的应力强度因子变化范围ΔK这两组数据在对数坐标系中进行线性拟合，得到疲劳裂纹扩展速率-应力强度因子变化范围的线性曲线，再对比Paris模型公式求得该材料Paris模型中的参数C和m；
步骤(4)利用ABAQUS软件建立增材制造零部件的模型，对其进行静力求解，在求解结果中寻找应力最大点，在应力最大点处预制裂纹，利用ABAQUS软件的扩展有限元程序求解出预制裂纹的一个载荷周期内的应力强度因子，再计算出一个载荷周期内的应力强度因子变化范围ΔK，将应力强度因子变化范围ΔK代入到步骤(3)中的Paris模型公式中，即求解出增材制造件的疲劳裂纹扩展速率；
步骤(5)将步骤(4)所得的有限元模型和静力分析结果导入到MSC.Fatigue软件中，创建载荷时间历程文件，并将有限元工况与时间历程载荷关联起来，根据步骤(2)中所得到的抗拉强度UTS求出材料的S-N曲线，将该S-N曲线导入到ABAQUS软件中，最后进行求解即可得到该激光增材制造件的疲劳寿命云图。
3.根据权利要求2所述的一种激光增材制造合金钢构件的疲劳寿命预测方法，其特征在于：步骤(1)中的去应力热处理工艺是升温至550℃保温3h，然后炉冷至300℃后转空冷。
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