Base de données sur la fatigue des alliages fabriqués de manière additive

Jun 10, 2023

Données scientifiques volume 10, Numéro d'article : 249 (2023) Citer cet article

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La fatigue est un processus de dégradation mécanique qui est généralement évalué sur la base de règles empiriques et de données expérimentales obtenues à partir de tests standardisés. Les données de fatigue des matériaux d'ingénierie sont généralement rapportées en SN (la relation contrainte-durée de vie), ε-N (la relation déformation-durée de vie) et da/dN-ΔK (la relation entre le taux de croissance des fissures de fatigue et la plage de facteurs d'intensité de contrainte. ) données. Les propriétés mécaniques de fatigue et statiques des alliages fabriqués de manière additive (FA), ainsi que les types de matériaux, les paramètres de FA, le traitement et les tests, sont collectés à partir de milliers d'articles scientifiques jusqu'à fin 2022 en utilisant le traitement du langage naturel, l'apprentissage automatique et techniques de vision par ordinateur. Les résultats montrent que les performances des alliages AM pourraient atteindre celles des alliages conventionnels, même si la dispersion des données et l'écart du système sont présents. La base de données (FatigueData-AM2022) est formatée en structures compactes, hébergée dans un référentiel ouvert et analysée pour montrer leurs modèles et statistiques. La qualité des données collectées à partir de la littérature est mesurée en définissant des scores d'évaluation pour les ensembles de données rapportés dans des études individuelles et par les taux de remplissage des entrées de données dans tous les ensembles de données. La base de données sert également d'ensemble de formation de haute qualité pour le traitement des données à l'aide de modèles d'apprentissage automatique. Les procédures d'extraction et d'analyse des données sont décrites et les outils sont rendus publics. Un langage unifié des données de fatigue est suggéré pour réglementer la communication des données sur les performances en fatigue des matériaux afin de faciliter le partage de données et le développement de la science ouverte.

La fatigue est un processus néfaste de dégradation mécanique subi par les matériaux et composants de structure soumis à un service à long terme, par exemple dans les secteurs de l'aérospatiale, de l'énergie nucléaire, du pétrole et du gaz1. La conception de l’intégrité structurelle en tenant compte des dommages dus à la fatigue peut être réalisée selon les principes de durée de vie sûre ou de tolérance aux dommages. Dans la conception à durée de vie sûre, les défauts ne sont pas explicitement pris en compte et les produits sont destinés à être retirés du service après la durée de vie nominale. La philosophie de conception repose sur des données expérimentales provenant d'éprouvettes standards testées dans des conditions de chargement spécifiques, qui peuvent être étendues aux composants structurels. En pratique, les spectres de chargement arbitraires sont traités en considérant les dommages cumulés, par exemple en utilisant la règle linéaire de Miner2. Les effets de la taille des échantillons, de la contrainte moyenne, de la multiaxialité et de l'environnement peuvent également être inclus. Les données de durée de vie en contrainte (SN) produites par des essais contrôlés en contrainte (contrôlés par la force) et les données de durée de vie en déformation (ε-N) par des essais contrôlés en déformation sont les deux ensembles fondamentaux de données expérimentales pour la conception à durée de vie sûre, qui décrivent la relation entre le maximum (σmax, εmax) ou l'amplitude (σa, εa) de contrainte/déformation et le nombre de cycles de chargement (N) et sont couramment utilisés pour la fatigue par cycles élevés (HCF)/fatigue par cycles faibles (LCF) conception, respectivement (Fig. 1a). Dans la conception de tolérance aux dommages, un composant structurel est considéré comme capable de supporter des défauts (par exemple des fissures) en toute sécurité avant le prochain point d'inspection, et le composant est ensuite réparé ou remplacé2. La croissance des fissures de fatigue (FCG) peut être rationalisée dans la théorie de la mécanique de la rupture et évaluée expérimentalement à l'aide d'échantillons de traction compacte (CT). La dépendance du taux de FCG (da/dN) sur la plage du facteur d'intensité de contrainte (SIF) (ΔK) est ainsi évoquée dans la surveillance et la maintenance de l'état des structures (Fig. 1a). Les données SN, ε-N et da/dN-ΔK offrent des mesures standard pour la dégradation de la résistance mécanique sous charges cycliques, ce qui constitue une caractéristique unique qui peut être exploitée dans la recherche centrée sur les données.

Conception de l'intégrité de la structure de composants structurels de fabrication additive (FA) à l'aide de données de fatigue issues d'essais standardisés. (a) Conditions de chargement représentatives, types d'éprouvettes et données obtenues à partir des essais de fatigue. (b) Procédures et paramètres de fabrication additive illustrés par la technique de fusion sur lit de poudre laser (L-PBF).