Определение механических свойств образцов из стали 03Х17Н14М2 и сплава ВТ6, полученных аддитивными СЛП- и ПЛВ-технологиями, в зависимости от пористости и температуры

Современные технологии аддитивного производства, такие как селективное лазерное плавление (СЛП) и прямое лазерное выращивание (ПЛВ), позволяют создавать сложнопрофильные металлические изделия с уникальными свойствами. Неотъемлемой особенностью этих процессов является формирование специфической микроструктуры, наличие остаточных напряжений и определенного уровня пористости. Совокупное воздействие этих факторов приводит к выраженной анизотропии механических характеристик и их сильной зависимости от многочисленных технологических параметров печати. В связи с этим актуальной задачей является разработка надежных математических моделей, способных прогнозировать механические свойства таких материалов. В работе рассмотрены подходы для описания механических свойств композиционных материалов, предложенные в литературе и основанные на методе пространственного осреднения. Использованы для сравнения математические модели, включая вилки Фойгта - Рейса и Хашина - Штрикмана, модели Мори - Танака, Кристенсена и Эшби, применяемые для расчета зависимости модуля Юнга, модуля сдвига, коэффициента Пуассона и предела текучести от пористости. Для описания механических характеристик в зависимости от температуры рассмотрены модели Вачтмана для модуля Юнга и пороговых напряжений (mechanical threshold stress) для модуля сдвига. Основной целью исследования являлась проверка применимости и оценка точности моделей, применяемых для анализа анизотропных металлических материалов, полученных СЛП и ПЛВ способами аддитивной 3D-печати. Согласно результатам нашего исследования, модель Кристенсена, а также модель Гибсона - Эшби продемонстрировали хорошее согласие с экспериментальными данными, доступными в современной научной литературе, что позволяет рекомендовать их для инженерных расчетов, связанных с влиянием пористости. В то же время, математические модели, учитывающие температурные изменения механических характеристик, показали неудовлетворительное или невысокое соответствие реальным экспериментальным данным, полученным для материалов аддитивного производства. В качестве альтернативы в статье предлагается использование полиномиального разложения для описания зависимостей механических характеристик от температуры. Таким образом, на основе проведенного в работе комплексного и детального анализа для каждой отдельной механической характеристики предложена и формализована конкретная регрессионная модель, которая рекомендуется для использования в практических инженерных расчетах и численном моделировании.