成形方向对增材制造钛合金裂尖循环塑性行为的影响

刘庆; 李建; 赵询; 孙涛; 葛峻铭; 全世超; 陈思瀚; 张嘉迪

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2026.06.013

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

成形方向对增材制造钛合金裂尖循环塑性行为的影响

·实验研究·测试技术· | 更新时间：2026-06-16

- 成形方向对增材制造钛合金裂尖循环塑性行为的影响
- Effect of forming direction on cyclic plastic behavior near crack tip of additive manufacturing titanium alloy
- 机械强度 2026年48卷第6期页码：117-127
- 作者机构：
  
  1.江苏大学土木工程与力学学院，镇江 212013
  2.江苏大学能源与动力工程学院，镇江 212013
- 作者简介：
  
  刘庆，女，2003年生，湖南怀化人，在读硕士研究生；主要研究方向为3D打印、材料与结构的疲劳行为；E-mail：2640235216@qq.com。
- 基金信息：
  
  中国博士后基金面上项目(2020M681496);国家自然科学基金项目(52105149);江苏省研究生科研与实践创新计划项目(KYCX24-3924)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2026.06.013
  中图分类号： TH114;TG115.5
- 收稿：2024-07-30，
  
  修回：2024-09-18，
  
  纸质出版：2026-06-15
- 稿件说明：
移动端阅览
刘庆，李建，赵询，等. 成形方向对增材制造钛合金裂尖循环塑性行为的影响［J］. 机械强度，2026，48（6）：117-127.

LIU Qing，LI Jian，ZHAO Xun，et al. Effect of forming direction on cyclic plastic behavior near crack tip of additive manufacturing titanium alloy［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（6）：117-127.
刘庆，李建，赵询，等. 成形方向对增材制造钛合金裂尖循环塑性行为的影响［J］. 机械强度，2026，48（6）：117-127. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.06.013.

LIU Qing，LI Jian，ZHAO Xun，et al. Effect of forming direction on cyclic plastic behavior near crack tip of additive manufacturing titanium alloy［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（6）：117-127. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.06.013.

摘要

目的

揭示成形方向对激光选区熔化增材制造TC4钛合金裂尖循环塑性行为的影响机制，为增材制造钛合金承力构件抗疲劳设计提供参考。

方法

首先，制备0°（L

）、45°（L

）、90°（L

）3种成形方向的紧凑拉伸试样，测试获取不同方向材料的循环本构参数，为数值建模提供基础；其次，基于Chaboche混合强化本构模型，采用Abaqus软件建立含裂纹试样有限元模型，设计9组不同载荷参数方案，分析裂尖循环塑性演化规律；然后，采用数字图像相关技术开展疲劳加载试验，获取裂尖场量数据；最后，对比数值计算与试验结果，验证分析方法的可靠性。

结果

结果表明，成形方向对裂尖塑性应变、构件塑性应变能影响显著，相同载荷下，L

方向裂尖累积塑性应变、塑性应变能均最大，L

方向次之，L

方向最小，且差异随循环周次增加持续扩大；高载荷比、高载荷幅工况下，裂尖应力集中更显著，其塑性应变、平均弹性与塑性应变能均更高；成形方向对裂尖局部应力比、构件弹性应变能无显著影响。

Abstract

Objective

To reveal the influence mechanism of forming direction on the cyclic plastic behavior near the crack tip of selective laser melted TC4 titanium alloy

and provide reference for the anti-fatigue design of additive manufactured titanium alloy load-bearing components.

Methods

Firstly

compact tension specimens with three forming directions of 0° (L

)

45° (L

) and 90° (L

) were prepared

and the cyclic constitutive parameters of materials in different directions were obtained by tests to provide basis for numerical modeling. Secondly

based on the Chaboche mixed hardening constitutiv

e model

the finite element model of the cracked specimen was established by Abaqus software

and 9 groups of schemes with different load parameters were designed to analyze the evolution law of cyclic plasticity near the crack tip. Then

fatigue loading tests were carried out by digital image correlation technology to obtain the field data of the crack tip area. Finally

the numerical calculation results were compared with the test results to verify the reliability of the analysis method.

Results

The results show that the forming direction has a significant effect on the plastic strain at the crack tip and the plastic strain energy of the component. Under the same load condition

the cumulative plastic strain and plastic strain energy at the crack tip in L

direction are the largest

followed by those in L

direction

and the smallest in L

direction

and the difference increases continuously with the increase of cycle number. The stress concentration at the crack tip is more significant under high load ratio and high load amplitude conditions

with higher plastic strain

average elastic and plastic strain energy. The forming direction has no significant effect on the local stress ratio near the crack tip and the overall elastic strain energy of the component.

关键词

Keywords

references

詹奇云，靳刚，韩进，等 . TC4钛合金低温拉伸行为与本构建模［J］. 塑性工程学报， 2024 ， 31 （ 1 ）： 204 - 215 .

ZHAN Qiyun ， JIN Gang ， HAN Jin ， et al . Low temperature tensile behavior and constitutive modeling of TC4 titanium alloy ［J］. Journal of Plasticity Engineering ， 2024 ， 31 （ 1 ）： 204 - 215 . （In Chinese）

张天任，蒋睿嵩，王栋辉，等 . TC4钛合金加工表面的超声冲击强化表面完整性实验［J］. 机械科学与技术， 2025 ， 44 （ 11 ）： 1955 - 1965 .

ZHANG Tianren ， JIANG Ruisong ， WANG Donghui ， et al . Experimental study on surface integrity of ultrasonic impact strengthening surface of TC4 machined surfaces ［J］. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering ， 2025 ， 44 （ 11 ）： 1955 - 1965 . （In Chinese）

高韬 . 增材制造钛合金TC4的变形及失效机理研究［D］. 扬州：扬州大学， 2023 ： 14 .

GAO Tao . Study on deformation and failure mechanism of TC4 titanium alloy by additive manufacturing ［D］. Yangzhou ： Yangzhou University ， 2023 ： 14 . （In Chinese）

王华明 . 高性能大型金属构件激光增材制造：若干材料基础问题［J］. 航空学报， 2014 ， 35 （ 10 ）： 2690 - 2698 .

WANG Huaming . Materials' fundamental issues of laser additive manufacturing for high-performance large metallic components ［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica ， 2014 ， 35 （ 10 ）： 2690 - 2698 . （In Chinese）

李军 . 弹塑性状态下复合型疲劳裂纹扩展研究［D］. 北京：北京理工大学， 2014 ： 9 .

LI Jun . A study on elastic-plastic mixed-mode fatigue crack propagation ［D］. Beijing ： Beijing Institute of Technology ， 2014 ： 9 . （In Chinese）

PAUL S K ， TARAFDER S . Cyclic plastic deformation response at fatigue crack tips ［J］. International Journal of Pressure Vessels and Piping ， 2013 ， 101 ： 81 - 90 .

RANS C ， MICHIELSSEN J ， WALKER M ， et al . Beyond the orthogonal：on the influence of build orientation on fatigue crack growth in SLM Ti-6Al-4V ［J］. International Journal of Fatigue ， 2018 ， 116 ： 344 - 354 .

白澄岩，兰亮，辛如意，等 . 增材制造Ti-6Al-4V钛合金低周疲劳性能研究进展［J］. 材料科学与工艺， 2023 ， 31 （ 1 ）： 79 - 90 .

BAI Chengyan ， LAN Liang ， XIN Ruyi ， et al . Research progress on low-cycle fatigue properties of Ti-6Al-4V alloy by additive manufacturing ［J］. Materials Science and Technology ， 2023 ， 31 （ 1 ）： 79 - 90 . （In Chinese）

CAIN V ， THIJS L ， VAN HUMBEECK J ， et al . Crack propagation and fracture toughness of Ti 6 Al 4 V alloy produced by selective laser melting ［J］. Additive Manufacturing ， 2015 ， 5 ： 68 - 76 .

XU Z W ， LIU A ， WANG X S . The influence of building direction on the fatigue crack propagation behavior of Ti 6 Al 4 V alloy produced by selective laser melting ［J］. Materials Science and Engineering：A ， 2019 ， 767 ： 138409 .

POULIN J R ， BRAILOVSKI V ， TERRIAULT P . Long fatigue crack propagation behavior of Inconel 625 processed by laser powder bed fusion：influence of build orientation and post-processing conditions ［J］. International Journal of Fatigue ， 2018 ， 116 ： 634 - 647 .

张海英，李刚，臧伟锋，等 . 激光选区熔化Ti-6Al-4V钛合金疲劳裂纹扩展性能研究［J］. 机械强度， 2023 ， 45 （ 6 ）： 1355 - 1360 .

ZHANG Haiying ， LI Gang ， ZANG Weifeng ， et al . Fatigue crack growth performance of Ti-6Al-4V titanium alloy by selective laser melting ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2023 ， 45 （ 6 ）： 1355 - 1360 . （In Chinese）

VORMWALD M . Effect of cyclic plastic strain on fatigue crack growth ［J］. International Journal of Fatigue ， 2016 ， 82 ： 80 - 88 .

MCCLUNG R C . Crack closure and plastic zone sizes in fatigue ［J］. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures ， 1991 ， 14 （ 4 ）： 455 - 468 .

IINO Y . Local fatigue damage accumulation around Notch attending crack initiation ［J］. Metallurgical and Materials Transactions A ， 1995 ， 26 （ 6 ）： 1419 - 1430 .

JAMES M N ， CHRISTOPHER C J ， LU Y W ， et al . Local crack plasticity and its influences on the global elastic stress field ［J］. International Journal of Fatigue ， 2013 ， 46 ： 4 - 15 .

宋建，阎琨 . 基于Chaboche模型的3D打印GH3536材料本构参数拟合研究［J］. 塑性工程学报， 2023 ， 30 （ 10 ）： 167 - 173 .

SONG Jian ， YAN Kun . Study on constitutive parameter fitting of 3D printed GH3536 material based on Chaboche model ［J］. Journal of Plasticity Engineering ， 2023 ， 30 （ 10 ）： 167 - 173 . （In Chinese）

齐威 . ABAQUS 6.14超级学习手册［M］. 北京：人民邮电出版社， 2016 ： 109 .

QI Wei . ABAQUS 6.14 super learning manual ［M］. Beijing ： Posts & Telecom Press ， 2016 ： 109 . （In Chinese）

代巧，何爵亨，周金宇，等 . 基于DIC与Irwin模型的工业纯钛疲劳裂纹尖端循环应变场表征［J］. 稀有金属材料与工程， 2021 ， 50 （ 8 ）： 2815 - 2822 .

DAI Qiao ， HE Jueheng ， ZHOU Jinyu ， et al . Characterization of cycle strain field of commercial pure titanium at fatigue crack tip based on DIC and Irwin model ［J］. Rare Metal Materials and Engineering ， 2021 ， 50 （ 8 ）： 2815 - 2822 . （In Chinese）

GÓMEZ GONZALES G L ， ORTIZ GONZÁLEZ J A ， ANTUNES F V ， et al . Experimental determination of the reversed plastic zone size around fatigue crack using digital image correlation ［J］. Theoretical and Applied Fracture Mechanics ， 2023 ， 125 ： 103901 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

考虑裂尖不同塑性状态的工业纯钛断裂参量与疲劳裂纹扩展速率模型

基于微结构特征的Ti6Al4V ELI钛合金疲劳裂纹萌生寿命晶体塑性预测方法

钛合金抗蠕变性能研究进展

增材制造钛合金飞机结构维修件力学性能试验研究

双相钛合金表面等离子渗铬强化层疲劳行为研究