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頂刊前沿綜述《MSER》IF=26.625：增材制造金屬基蜂窩結構材料的疲勞性能！

2021-01-22 11:19:32 作者：本網整理來源：材料學網微信公眾號分享至：

近日，挪威科技大學F. Berto和意大利特倫托大學M. Benedetti等人在Materials Science & Engineering R上發表了題為“Architected cellular materials: A review on their mechanical properties towards fatigue-tolerant design and fabrication”的頂刊綜述，IF=26.625。該綜述文章討論了迄今為止在改善通過增材制造制備的蜂窩結構（尤其是金屬基）的疲勞性能方面的進展，從而為耐疲勞的增材制造的建筑蜂窩材料提供了重要見解。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mser.2021.100606

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金屬增材制造已經非常成熟，并已用于生產最終用途的關鍵任務零件，這一發展的下一個階段之一為設計多孔金屬-蜂窩狀或晶格結構。

蜂窩結構可以針對特定的機械或其他性能特征進行設計或定制，并且由于它們的大表面積，低質量，規則的重復結構和開放的互連孔隙空間而具有眾多優勢。這被認為對于醫療植入物以及輕型汽車和航空航天部件特別有用，它們是目前主要的工業驅動力。造孔結構的行為類似于開孔泡沫，迄今為止已發現許多其他工業應用，例如用于吸收沖擊的夾心板，用于熱管理的散熱器，過濾器或催化劑材料，隔音等。增材制造的蜂窩結構的優點是可以實現對微體系結構的精確控制。通過增材制造制造的這些多孔結構多孔材料的巨大潛力目前受到對其結構完整性的關注的限制。

增材制造的建筑多孔材料（或網格結構）特別容易受到疲勞破壞，主要是由于以下五個原因：多孔材料的結構是結構減弱的內在因素；增材制造產品通常以幾何精度差和復雜的表面形態為特征；一些技術限制；疲勞等缺陷。

盡管在晶格結構的設計和制造方面取得了不可否認的進步，但人們仍然對其結構的完整性存在廣泛的關注，特別是在疲勞載荷下。工業界仍然不信任它們在臨界負載機械部件中的廣泛使用，并在這方面等待可靠的答案和指導。研究蜂窩狀（晶格）材料疲勞行為的主要問題是，沒有標準可用于機械測試。

出于這個原因，作者將本文作為理解金屬增材制造蜂窩（晶格）結構疲勞行為基礎，進行相關綜述，提出指導方針和方法，以提高成功率并改善性能和可靠性。這篇綜述結合了來自不同領域的工程學和基礎科學，這些領域與未來的蜂窩狀建筑材料的設計、機械理解和制造緊密相關。

圖1 多孔材料的例子：

（A）閉孔泡沫。（B）開孔泡沫。（C）規則的細胞物質（體立方中心的BCC晶胞）。

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圖2 （A）植入物和（B）用于實驗車輛的輕質支架中的結構化蜂窩（網格）結構示例。示例由（A）LRS植入物有限公司和執行工程有限公司以及（B）納爾遜·曼德拉大學提供。

圖3 本文中文章主要特點。

（A）每年與細胞材料疲勞有關的出版物數量。（B）單元電池架構，（C）疲勞載荷配置和（D）綜述文獻中分析的材料。

圖4 （A）DED和（B）PBF工藝的示意圖；（C）PBF中的工藝參數；（D）各種掃描策略

圖5 可以填充而不會變形的空間填充單元電池。

（A）三角形，（B）菱形和（C）六角棱鏡。（D）菱形十二面體。（E）四十二面體。l和h表示特征性單位晶胞尺寸，t是位于單位晶胞邊緣上的節點連接節點的厚度。

圖6 晶格結構的各種體系結構

（A）前三行顯示了基于Strut的晶格單元。（B）骨骼和（C）薄片三次周期性最小曲面（TPMS）

圖7 （A）如果用銷釘代替接頭，則彎曲為主的結構成為一種機制；（B）（C）如果用銷釘代替接頭，則受拉伸為主的結構保持不變。（D）彎曲為主和（E）（F）拉伸為主的晶胞的示例。M是麥克斯韋數，b是支撐數，j是節點數。FBCCZ是通過將面心立方（FCC）和體心立方（BCC）與沿X，Y和Z方向的支柱組合而成的晶胞。

圖8 相對準靜態彈性梯度

（A）和相對屈服強度（B）作為細胞晶格材料相對密度的函數，在文獻中研究了各種晶胞結構。

圖9 （A）根據ISO 13314進行壓縮試驗的試樣幾何形狀。（B）中提出的帶有實心端板的試樣幾何形狀。

圖10 在所調查的文獻中研究的幾種細胞結構的棘輪速率與失效循環數的關系。p表示開孔率

圖11 相對于屈服強度歸一化的壓縮-壓縮疲勞強度是開孔孔隙率p的函數。σe，max是在106個循環中失效的疲勞強度，與施加到樣品上的最大壓縮整體應力相對應。在可用的情況下，使用測量的孔隙率代替設計的孔隙率。在空氣中以負載比R = 0.1進行疲勞實驗。垂直箭頭表示在最大屈服強度為80％的最大應力下測試的立方晶胞沒有故障。

圖12 文獻中提出的試樣幾何形狀可以在拉伸應力下進行單軸疲勞試驗。

（A）拉伸試樣。（B）具有螺紋實心端的圓柱樣品。（C）從固體到多孔部分連續過渡的圓柱形試樣。（D）具有實心端部和支柱直徑過渡的圓柱試樣。（E）標有鐘形法蘭凸緣的樣品。（F）帶有支柱半徑梯度的試樣。

圖13 支撐桿取向對支撐桿形態的影響：

（A）垂直支撐桿比水平支撐桿更有效地帶走了熱量（箭頭），與（B）水平支撐桿和（C）傾斜支撐桿相比，改善了表面外觀和幾何精度。階梯效應的形成在（A）和（C）中顯示。

圖14 內部缺陷對晶格材料疲勞行為的影響的實驗研究。

（A）疲勞裂紋由表面缺陷形核，內部缺陷僅在最終的延性斷裂表面上可見。白色箭頭指示裂紋擴展方向，虛線將疲勞斷裂表面與最終斷裂分開。（B）在Inconel BCC晶格材料中觀察到多個表面裂紋萌生，然后裂紋合并。（C）內部缺陷觸發疲勞裂紋萌生。然而，最終的疲勞斷裂以表面主裂紋為主。（D）在多個晶格節點上的多次裂紋萌生。圖的頂部比較了相同晶格節點的SEM和CT檢查。底部報告了對金剛石晶格材料的類似SEM觀察結果。（E）SEM（上圖）和光學（下圖）顯微照片顯示了表面裂紋的萌生，而與內部附近是否存在內部孔隙無關。

圖15 （A）中所示的立方體設計的晶格結構，以Ti6Al4V制成，并顯示出具有物理橫截面的結構，這些橫截面表明了垂直構建（B）和對角構建（C）樣品的微觀結構。沿建造方向有晶粒長大（用紅色箭頭指示）。

圖16 AlSi7Mg制成的FCC晶格中的疲勞裂紋。

（A），（B），（C）光學顯微照片顯示了位于節點附近的幾何缺陷處水平支柱中的裂紋萌生。（D）根據通過CT掃描重建的真實晶格幾何形狀的FEM模擬估算的應力分布。熱點（紅色區域）位于晶格節點附近。

圖17 （A）簡單立方（SC），體心立方（BCC），簡單立方體心立方（SCBCC）和面心立方（FCC）晶格單元的幾何形狀；（B）確定S/N曲線的數值算法；（C）相對密度為0.45的不同晶格結構的S/N曲線；（D）相對密度為0.45的不同晶格結構的歸一化S/N曲線。

圖18 （A）對由L-PBF產生的規則立方胞格進行微CT掃描的點云的統計分析結果（t0：撐桿直徑），（B）基于名義CAD和實際幾何形狀的有限元模型，（ C）從有限元分析獲得的馮·米塞斯等高線圖。選擇FE網格使其接近微型CT空間的分辨率。從晶格的微CT掃描中隨機選擇基于實際幾何形狀的單位單元有限元模型。

本文在全面理解晶格結構中的關鍵特征方面做出了貢獻，填補了疲勞如何嚴重降低其整體結構完整性的空白，增材制造晶格結構的優點是對微體系結構甚至多尺度結構可以進行全面而準確的控制，但是，缺陷和瑕疵無法完全消除。由于表面的均質化和改善其結構延展性的可能性，采用熱處理可以顯著延長疲勞壽命。

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