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

2021-01-22 11:19:32 作者：本網(wǎng)整理來源：材料學(xué)網(wǎng)微信公眾號(hào) 分享至：

近日，挪威科技大學(xué)F. Berto和意大利特倫托大學(xué)M. Benedetti等人在Materials Science & Engineering R上發(fā)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(jié)構(gòu)（尤其是金屬基）的疲勞性能方面的進(jìn)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(jīng)非常成熟，并已用于生產(chǎn)最終用途的關(guān)鍵任務(wù)零件，這一發(fā)展的下一個(gè)階段之一為設(shè)計(jì)多孔金屬-蜂窩狀或晶格結(jié)構(gòu)。

蜂窩結(jié)構(gòu)可以針對(duì)特定的機(jī)械或其他性能特征進(jìn)行設(shè)計(jì)或定制，并且由于它們的大表面積，低質(zhì)量，規(guī)則的重復(fù)結(jié)構(gòu)和開放的互連孔隙空間而具有眾多優(yōu)勢(shì)。這被認(rèn)為對(duì)于醫(yī)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(yè)驅(qū)動(dòng)力。造孔結(jié)構(gòu)的行為類似于開孔泡沫，迄今為止已發(fā)現(xiàn)許多其他工業(yè)應(yīng)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(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微體系結(jié)構(gòu)的精確控制。通過增材制造制造的這些多孔結(jié)構(gòu)多孔材料的巨大潛力目前受到對(duì)其結(jié)構(gòu)完整性的關(guān)注的限制。

增材制造的建筑多孔材料（或網(wǎng)格結(jié)構(gòu)）特別容易受到疲勞破壞，主要是由于以下五個(gè)原因：多孔材料的結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)減弱的內(nèi)在因素；增材制造產(chǎn)品通常以幾何精度差和復(fù)雜的表面形態(tài)為特征；一些技術(shù)限制；疲勞等缺陷。

盡管在晶格結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造方面取得了不可否認(rèn)的進(jìn)步，但人們?nèi)匀粚?duì)其結(jié)構(gòu)的完整性存在廣泛的關(guān)注，特別是在疲勞載荷下。工業(yè)界仍然不信任它們?cè)谂R界負(fù)載機(jī)械部件中的廣泛使用，并在這方面等待可靠的答案和指導(dǎo)。研究蜂窩狀（晶格）材料疲勞行為的主要問題是，沒有標(biāo)準(zhǔn)可用于機(jī)械測(cè)試。

出于這個(gè)原因，作者將本文作為理解金屬增材制造蜂窩（晶格）結(jié)構(gòu)疲勞行為基礎(chǔ)，進(jìn)行相關(guān)綜述，提出指導(dǎo)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(jié)合了來自不同領(lǐng)域的工程學(xué)和基礎(chǔ)科學(xué)，這些領(lǐng)域與未來的蜂窩狀建筑材料的設(shè)計(jì)、機(jī)械理解和制造緊密相關(guān)。

圖1 多孔材料的例子：

（A）閉孔泡沫。（B）開孔泡沫。（C）規(guī)則的細(xì)胞物質(zhì)（體立方中心的BCC晶胞）。

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圖2 （A）植入物和（B）用于實(shí)驗(yàn)車輛的輕質(zhì)支架中的結(jié)構(gòu)化蜂窩（網(wǎng)格）結(jié)構(gòu)示例。示例由（A）LRS植入物有限公司和執(zhí)行工程有限公司以及（B）納爾遜·曼德拉大學(xué)提供。

圖3 本文中文章主要特點(diǎn)。

（A）每年與細(xì)胞材料疲勞有關(guān)的出版物數(shù)量。（B）單元電池架構(gòu)，（C）疲勞載荷配置和（D）綜述文獻(xiàn)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(shù)；（D）各種掃描策略

圖5 可以填充而不會(huì)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(jié)點(diǎn)連接節(jié)點(diǎn)的厚度。

圖6 晶格結(jié)構(gòu)的各種體系結(jié)構(gòu)

（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(jié)構(gòu)成為一種機(jī)制；（B）（C）如果用銷釘代替接頭，則受拉伸為主的結(jié)構(gòu)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(shù)，b是支撐數(shù)，j是節(jié)點(diǎn)數(shù)。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(duì)準(zhǔn)靜態(tài)彈性梯度

（A）和相對(duì)屈服強(qiáng)度（B）作為細(xì)胞晶格材料相對(duì)密度的函數(shù)，在文獻(xiàn)中研究了各種晶胞結(jié)構(gòu)。

圖9 （A）根據(jù)ISO 13314進(jìn)行壓縮試驗(yàn)的試樣幾何形狀。（B）中提出的帶有實(shí)心端板的試樣幾何形狀。

圖10 在所調(diào)查的文獻(xiàn)中研究的幾種細(xì)胞結(jié)構(gòu)的棘輪速率與失效循環(huán)數(shù)的關(guān)系。p表示開孔率

圖11 相對(duì)于屈服強(qiáng)度歸一化的壓縮-壓縮疲勞強(qiáng)度是開孔孔隙率p的函數(shù)。σe，max是在106個(gè)循環(huán)中失效的疲勞強(qiáng)度，與施加到樣品上的最大壓縮整體應(yīng)力相對(duì)應(yīng)。在可用的情況下，使用測(cè)量的孔隙率代替設(shè)計(jì)的孔隙率。在空氣中以負(fù)載比R = 0.1進(jìn)行疲勞實(shí)驗(yàn)。垂直箭頭表示在最大屈服強(qiáng)度為80％的最大應(yīng)力下測(cè)試的立方晶胞沒有故障。

圖12 文獻(xiàn)中提出的試樣幾何形狀可以在拉伸應(yīng)力下進(jìn)行單軸疲勞試驗(yàn)。

（A）拉伸試樣。（B）具有螺紋實(shí)心端的圓柱樣品。（C）從固體到多孔部分連續(xù)過渡的圓柱形試樣。（D）具有實(shí)心端部和支柱直徑過渡的圓柱試樣。（E）標(biāo)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?qū)χ螚U形態(tài)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(yīng)的形成在（A）和（C）中顯示。

圖14 內(nèi)部缺陷對(duì)晶格材料疲勞行為的影響的實(shí)驗(yàn)研究。

（A）疲勞裂紋由表面缺陷形核，內(nèi)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(kuò)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(gè)表面裂紋萌生，然后裂紋合并。（C）內(nèi)部缺陷觸發(fā)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(gè)晶格節(jié)點(diǎn)上的多次裂紋萌生。圖的頂部比較了相同晶格節(jié)點(diǎn)的SEM和CT檢查。底部報(bào)告了對(duì)金剛石晶格材料的類似SEM觀察結(jié)果。（E）SEM（上圖）和光學(xué)（下圖）顯微照片顯示了表面裂紋的萌生，而與內(nèi)部附近是否存在內(nèi)部孔隙無關(guān)。

圖15 （A）中所示的立方體設(shè)計(jì)的晶格結(jié)構(gòu)，以Ti6Al4V制成，并顯示出具有物理橫截面的結(jié)構(gòu)，這些橫截面表明了垂直構(gòu)建（B）和對(duì)角構(gòu)建（C）樣品的微觀結(jié)構(gòu)。沿建造方向有晶粒長(zhǎng)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(xué)顯微照片顯示了位于節(jié)點(diǎn)附近的幾何缺陷處水平支柱中的裂紋萌生。（D）根據(jù)通過CT掃描重建的真實(shí)晶格幾何形狀的FEM模擬估算的應(yīng)力分布。熱點(diǎn)（紅色區(qū)域）位于晶格節(jié)點(diǎn)附近。

圖17 （A）簡(jiǎn)單立方（SC），體心立方（BCC），簡(jiǎn)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(shù)值算法；（C）相對(duì)密度為0.45的不同晶格結(jié)構(gòu)的S/N曲線；（D）相對(duì)密度為0.45的不同晶格結(jié)構(gòu)的歸一化S/N曲線。

圖18 （A）對(duì)由L-PBF產(chǎn)生的規(guī)則立方胞格進(jìn)行微CT掃描的點(diǎn)云的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果（t0：撐桿直徑），（B）基于名義CAD和實(shí)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(wǎng)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(jī)選擇基于實(shí)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(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵特征方面做出了貢獻(xiàn)，填補(bǔ)了疲勞如何嚴(yán)重降低其整體結(jié)構(gòu)完整性的空白，增材制造晶格結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)微體系結(jié)構(gòu)甚至多尺度結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行全面而準(zhǔn)確的控制，但是，缺陷和瑕疵無法完全消除。由于表面的均質(zhì)化和改善其結(jié)構(gòu)延展性的可能性，采用熱處理可以顯著延長(zhǎng)疲勞壽命。

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