Improved fatigue strength of high-strength steels fabricated by additive manufacturing in the very high cycle regime

通过增材制造在极高循环状态下提高高强度钢的疲劳强度

• 批准号: 22H01356
• 负责人: 高橋 宏治
• 金额: $ 11.4万
• 依托单位: Yokohama National University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22H01356/
• 关键词: 3D積層造形; 高強度鋼; 超高サイクル疲労強度; ピーニング

近年、金属製品における低コスト化、軽量化、製造の時間短縮などの観点から、新たな製造方法として、3Dプリンタによる3D積層造形技術が注目されている。しかし、3D積層造形材は、その積層過程で生成される欠陥の影響を受け、従来材よりも疲労強度が低いことが知られている。特に近年では、材料の長寿命化が期待されており、 超高サイクル領域における疲労特性の重要性が増してきている。しかし、3D積層造形材の超高サイクル疲労特性は未解明である。本研究では疲労強度向上手法として、大きく深い圧縮残留応力が導入できるレーザピーニング（LP）に着目した。本年度は、3D積層造形したマルエージング鋼の回転曲げ強度特性に及ぼすLPの影響について調査し、以下の結果が得られた。(1)LP施工を行っていない平滑材に関して、回転曲げ疲労試験では2重S-N線図が確認され、10^7回付近までは表面破壊、それ以降では内部破壊となった。(2)回転曲げ疲労試験において、LP施工した試験片ではすべて内部破壊となり、LP施工を行っていない試験片と比べて、高応力側では疲労寿命が約50倍まで向上した。しかし、10^7を超える超高サイクル領域では、LP施工による顕著な疲労強度向上は見られなかった。(3)LP施工により、表面からの深さが0.23 mmの位置まで圧縮残留応力が導入されたが、それよりも深い内部では残留応力は引張となった。(4)表面近傍におけるき裂の進展が抑制されたことが高応力側での疲労強度向上の要因である。内部の引張残留応力により疲労き裂進展が促進されたことが、疲労強度が顕著には向上しなかった原因として考えられる。

近年来，从低成本的角度来看，金属产品的体重减轻以及生产时间的缩短，3D层压技术带有3D打印机引起了人们的关注。但是，众所周知，3D层压材料的疲劳强度低于传统材料，该材料受层压过程中产生的缺陷的影响。特别是，近年来，预计材料的寿命很长，并且在超高周期区域中疲劳特征的重要性也有所增加。但是，3D层压建模材料的超高循环疲劳特性却被揭示了。在这项研究中，作为提高疲劳强度的一种方法，我们专注于激光开口（LP），可以引入大而深层的压缩残留应力。今年，调查了LPS对3D层压损坏钢的旋转强度特性的影响，并获得了以下结果。 （1）关于没有LP结构的平滑材料，在旋转疲劳测试中确认了双S-N线图，并且表面被破坏直到10^7次左右，然后内部破坏。 （2）在旋转疲劳测试中，与未执行LP结构的测试作品相比，在高压力方面，所有由LP制成的测试都被内部破坏了，疲劳寿命在高度压力方面提高了约50倍。但是，在超过10^7的超高循环区域中，LP结构没有明显改善疲劳强度。 （3）LP结构将压缩的残余应力引入了距表面0.23 mm的位置，但剩余的应力在内部更深的内部挤压。 （4）抑制表面附近的裂纹的进度是改善高应力侧疲劳强度的因素。由于内部湍流残留应力促进疲劳开发发育被认为是疲劳强度并不能显着改善的原因。