[发明专利]一种激光增材制造合金钢构件的疲劳寿命预测方法

说明书

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。

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；