レーザー金属蒸着積層造形Ti-6Al-4Vの破壊挙動：応力状態および初期欠陥の影響

Failure Behavior of Laser Metal Deposited Additive Manufacturing Ti-6Al-4V: Effects of Stress State and Initial Defects.

抄録

レーザー金属蒸着積層造形法Ti-6Al-4V（LMD Ti64）の幅広い応力状態および歪速度における機械的特性および破壊挙動を調べるために、異なる種類の試験片を歪速度0.001-5000/sで試験した。すべての試験片について、破壊が起こる臨界位置での局所的な破壊ひずみを収集するために、数値シミュレーションを実施した。異なる手法で製造されたTi64合金と比較すると、LMD Ti64合金の破壊挙動は、ロード角パラメータとひずみ速度に対してより強い感度を示していることがわかる。破壊における初期欠陥の役割について議論した。高いレーザー出力とオーバーラップ比は、初期欠陥の数を減らすことによって破壊挙動を改善することができることが判明した。また、より高いひずみ速度で破断面に初期欠陥が観察されたことから、高いひずみ速度では初期ボイドよりもむしろ初期クラックが最終的な破断に至るクラック成長点として作用することが示された。破壊面の走査型電子顕微鏡観察から、LMD Ti64合金の破壊メカニズムは、応力状態やひずみ速度の違いによって変化することがわかった。負の応力三軸ではせん断破壊が特徴的であるが、準静的荷重条件下で高い応力三軸ではボイド成長破壊が破壊機構に支配的な役割を果たすことがわかった。

To investigate the mechanical property and failure behavior of laser metal deposited additive manufacturing Ti-6Al-4V (LMD Ti64) in a wide range of stress states and strain rates, different types of specimens were tested at strain rates of 0.001-5000/s. Numerical simulations were conducted to collect the local fracture strain at the critical position where the failure happened for all specimens. By comparing with Ti64 alloy manufactured by different techniques, the failure behavior of LMD Ti64 alloy shows a stronger sensitivity to Lode angle parameter and strain rate. The role of initial defects in failure was discussed. It is found that high laser power and overlap ratio can improve the failure behavior by reducing the number of initial defects. The initial defects on the fracture surface at much higher strain rates were observed, indicating that the initial crack rather than initial void acts as the crack growth point leading to the final fracture at higher strain rates. The scanning electron microscope observation of the fracture surface shows that the failure mechanism of LMD Ti64 alloy varies from different stress states and strain rates. The failure mechanism is characterized by the shear fracture at the negative stress triaxiality, whereas the void growth fracture plays a dominant role in the failure mechanism of LMD Ti64 alloy at a high stress triaxiality on the quasi-static loading condition.