Database della fatica delle leghe prodotte mediante produzione additiva

Dati scientifici volume 10, numero articolo: 249 (2023) Citare questo articolo

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La fatica è un processo di degrado meccanico che viene solitamente valutato sulla base di regole empiriche e dati sperimentali ottenuti da prove standardizzate. I dati sulla fatica dei materiali tecnici sono comunemente riportati in SN (la relazione sforzo-vita), ε-N (la relazione deformazione-vita) e da/dN-ΔK (la relazione tra il tasso di crescita delle cricche da fatica e l'intervallo del fattore di intensità della sollecitazione ) dati. Le proprietà meccaniche statiche e di fatica delle leghe prodotte mediante produzione additiva (AM), nonché i tipi di materiali, i parametri di AM, la lavorazione e i test vengono raccolti da migliaia di articoli scientifici fino alla fine del 2022 utilizzando l'elaborazione del linguaggio naturale, l'apprendimento automatico e tecniche di visione artificiale. I risultati mostrano che le prestazioni delle leghe AM potrebbero raggiungere quelle delle leghe convenzionali nonostante siano presenti dispersione dei dati e deviazione del sistema. Il database (FatigueData-AM2022) è formattato in strutture compatte, ospitato in un repository aperto e analizzato per mostrarne modelli e statistiche. La qualità dei dati raccolti dalla letteratura viene misurata definendo i punteggi di valutazione per i set di dati riportati nei singoli studi e attraverso i tassi di riempimento delle voci di dati in tutti i set di dati. Il database funge anche da set di formazione di alta qualità per l’elaborazione dei dati utilizzando modelli di apprendimento automatico. Vengono delineate le procedure di estrazione e analisi dei dati e gli strumenti vengono resi pubblici. Si suggerisce un linguaggio unificato dei dati sulla fatica per regolamentare la rendicontazione dei dati relativi alle prestazioni a fatica dei materiali per facilitare la condivisione dei dati e lo sviluppo della scienza aperta.

La fatica è un processo dannoso di degrado meccanico sperimentato dai materiali e dai componenti strutturali sottoposti a un servizio a lungo termine, ad esempio, nell'industria aerospaziale, dell'energia nucleare, del petrolio e del gas1. La progettazione dell'integrità strutturale tenendo conto del danno da fatica può essere effettuata secondo i principi della vita sicura o della tolleranza al danno. Nella progettazione della vita sicura, i difetti non vengono considerati esplicitamente e i prodotti sono destinati a essere rimossi dal servizio al termine della vita di progetto. La filosofia di progettazione si basa su dati sperimentali provenienti da provini standard testati in condizioni di carico specifiche, che possono essere estesi ai componenti strutturali. In pratica, gli spettri di carico arbitrari vengono gestiti considerando il danno cumulativo, ad esempio utilizzando la regola di Miner lineare2. Possono essere inclusi anche gli effetti delle dimensioni dei provini, della sollecitazione media, della multiassialità e dell'ambiente. I dati sulla durata della sollecitazione (SN) prodotti da prove a sforzo controllato (controllo della forza) e i dati sulla durata della deformazione (ε-N) mediante prove a deformazione controllata sono i due insiemi fondamentali di dati sperimentali per la progettazione della vita sicura, che descrivono la relazione tra il massimo (σmax, εmax) o l'ampiezza (σa, εa) di sollecitazione/deformazione e il numero di cicli di carico (N) e sono comunemente utilizzati per la fatica ad alto numero di cicli (HCF)/fatica a basso numero di cicli (LCF) design, rispettivamente (Fig. 1a). Nella progettazione con tolleranza al danno, un componente strutturale è considerato in grado di sopportare difetti (ad esempio crepe) in modo sicuro prima del successivo punto di ispezione e il componente viene quindi riparato o sostituito2. La crescita delle cricche da fatica (FCG) può essere razionalizzata nella teoria della meccanica della frattura e valutata sperimentalmente utilizzando campioni a tensione compatta (CT). La dipendenza del tasso FCG (da/dN) dall'intervallo del fattore di intensità dello stress (SIF) (ΔK) è quindi indicata nel monitoraggio e nel mantenimento della salute strutturale (Fig. 1a). I dati SN, ε-N e da/dN-ΔK offrono misure standard per il degrado della resistenza meccanica sotto carichi ciclici, che è una caratteristica unica che può essere sfruttata nella ricerca incentrata sui dati.

Progettazione dell'integrità della struttura di componenti strutturali di produzione additiva (AM) utilizzando dati sulla fatica provenienti da test standardizzati. (a) Condizioni di carico rappresentative, tipi di provini e dati ottenuti dalle prove di fatica. (b) Procedure e parametri dell'AM illustrati attraverso la tecnica di fusione del letto di polvere laser (L-PBF).