Comparison of Static Failure Criteria of Additively Manufactured Inconel 718 Analyzed by means of Strain Energy Density

Abstract

En glatt prøvestav og prøvestav med butt V-kjerv av Inconel 718 (IN718) ble additiv produsert (AM) ved hjelp av selektiv lasersmelting (SLM) uten etterbehandling. Senere ble de statisk strekkprøvet. Styrken til prøvestaven med butt V-kjerv ble deretter estimert med fire forskjellige ligninger av strain energy density (SED) for skarpe og butte V-kjerver, ved bruk av både elastisk og plastisk kjervsensitivitets- og intensitetsfaktor (NSIF)(P-NSIF). Kritisk radius ble utledet ved hjelp av både analytisk, numerisk og ved grafisk metode. Nøyaktigheten ble sammenlignet ved bruk av fire forskjellige utledede kritiske SED-verdier. Disse var basert på en sprø, duktil, lineærelastisk-perfekt plastisk og et perfekt plastisk materialmodell. Materialmodelene var basert på materialegenskapene til den glatte prøvestaven. Nøyaktigheten ved å bruke ligningene for butt V-kjerv med NSIF var på 12.5% med feilkriteriet for det perfekt plastiske materialet. Nøyaktigheten er sammenlignbar med elasto-plastisk theory of critical distance (TCD) med rapportert feilmargin på ±12%. Imidlertid kan den lineære-elastiske SED-tilnærmingen bli anbefalt som en enkel måte å estimere statisk- og tretthetsbrudd. Dette skyldes lav følsomhet for størrelsen på mesh i de numerisk analysene og at størrelseseffekten er inkludert i NSIF. Et nytt feilkriterium med en inkludering av kjervfølsomhetsforholdet (NSR) ble foreslått. Men for å verifisere både fremgangsmåte og feilkriteriet må flere materialer og geomtrier bli testet.

As produced (AP) blunt V-notched and unnotched specimen of Inconel 718 (IN718) were additively manufactured (AM) by means of selective laser melting (SLM) and then statically tensile tested. Subsequently, the strain energy density (SED) of the notched specimen was computed with four different equations for sharp and blunt V-notches, using both elastic and plastic notch stress intensity factor (NSIF)(P-NSIF). Values of critical radii were determined by analytical, numerical and graphical methods. The failure accuracy was obtained using four different critical SED values. These values were computed employing brittle, ductile, linear elastic-perfectly plastic and perfectly plastic material models. When using the equation for blunt V-notches with NSIF and perfectly plastic failure criteria, the failure force was underestimated by 12.5%. The accuracy is comparable with elasto-plastic theory of critical distance (TCD), with reported deviation of ±12%, which is regarded as accurate. Nevertheless, the linear elastic SED approach can be recommended for estimation of both static and fatigue failure forces as less computationally demanding than TCD method. This stems from low mesh sensitivity in numerical analysis an the size effect of the NSIF. A new failure criterion was suggested based on analysis of material notch sensitivity ratio (NSR). However, further research needs to be conducted so as to verify the method and failure criterion by varying materials and geometries.