Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета изучили влияние концентрации напряжений на процесс циклического разрушения для определения закономерности механического поведения материалов под воздействием нагрузок. Это поможет повысить качество аддитивного производства и эксплуатационные характеристики изделий, сообщает пресс-служба вуза на портале Naked Science.

В процессе 3D-печати из-за особенностей работы оборудования, стратегий формирования слоев и других причин возникает наведенная анизотропия — неодинаковость свойств, ведущая к зависимости прочности и жесткости конструкций от направлений механического воздействия. Это влияет на распределение в подверженном нагрузкам материале напряжений и деформаций. Несмотря на попытки избавиться от проблемы, из-за особенностей аддитивного производства в материалах появляется неоднородность, связанная с пористостью и геометрией структур.

Неоднородность влияет на сопротивление усталости — способности материала противостоять разрушению при многократных нагрузках. Накопление таких изменений показано на примере экспериментальных исследований малоцикловой усталости — разрушения материала после небольшого количества циклов. Правильный учет влияния концентрации напряжений при наличии анизотропии позволит увеличить срок эксплуатации 3D-печатных конструкций.

Ученые Пермского политеха исследовали характеристики сопротивления малоцикловой усталости титанового сплава ВТ6, используемого в производстве авиационных и ракетных двигателей, приборов и конструкций для военных и гражданских самолетов. Наплавление материала произвели методом холодного переноса металла, затем сняли остаточные напряжения температурной обработкой. Из готовой пластины вырезали образцы в параллельном и перпендикулярном направлениях к плоскости слоев.

Закономерности механического поведения образца изучались при малоцикловой усталости и наличии концентрации напряжений. Коэффициент применяли к образцам с концентратором и без него, позже их сравнили между собой. Выявлено, что направление вырезки образцов с концентратором практически не влияет на характеристики сопротивления усталости.

«Циклическая долговечность горизонтально вырезанных образцов на пять-десять процентов выше, чем вертикальных. У первых проявляется наибольшая чувствительность к концентрации напряжений при долговечности порядка ста пяти циклов. Наибольшее определенное значение введенного эффективного коэффициента для них — 2,8, для вертикально вырезанных образцов — от 1,8 до 2,2. От этих коэффициентов зависит срок эксплуатации изделий», — пояснил доцент кафедры экспериментальной механики и конструкционного материаловедения ПНИПУ Артем Ильиных.

Результаты испытаний позволили построить зависимость циклической долговечности от уровня прикладываемых напряжений. Выявленные коэффициенты концентрации напряжений будут полезны при проектировании 3D-печатных конструкций. Их учет позволит более точно прогнозировать долговечность и величину воспринимаемых нагрузок.

Источник