Влияние структурных параметров на физико-механические свойства неоднородных образцов под действием сжимающей нагрузки

Главной особенностью аддитивных технологий является возможность создания неоднородных изделий, состоящих из различных материалов или имеющих неодинаковые свойства в их разных частях. При правильном подходе к проектированию неоднородных структур можно добиться не только уменьшения массы изделия, но и сохранения его прочностных свойств. Однако при нагружении таких структур наблюдается локальное деформирование, которое может негативно сказываться на физико-механических свойствах всего изделия. Рассмотрены изготовленные методом послойного наплавления пористые ячейки, в качестве которых использованы кубические образцы с эллипсоидальной порой с разным углом эллиптичности. Для каждого типа ячеек выполнены три вида натурных испытаний. Первое испытание проводили на одноосное сжатие на испытательной машине, второе — на одноосное сжатие совместно со съемкой образцов в рентгеновском компьютерном томографе на разных этапах нагрузки. На третьем испытании образцы нагружали до пластической деформации в испытательной машине, после чего образец подвергали съемке в рентгеновском компьютерном томографе. Для каждого вида ячеек получены аппроксимирующие кривые для модуля упругости, предела пропорциональности, нижнего и верхнего пределов текучести, а также для структурных параметров на каждом шаге нагружения. При упругих деформациях наблюдалось хаотичное распределение мезопористости, что значительно влияло на значения упругих характеристик. Это количественно сказывалось на коэффициенте детерминации линейной аппроксимации модуля Юнга и предела пропорциональности. Однако при пластических деформациях наблюдалась явная линейная зависимость влияния направления эллиптичности на нижний и верхний пределы текучести.
EDN: TAWURH, https://elibrary/tawurh

Литература

[1] Lagarrigue P., Oh J., Xie J. et al. Freeze-cast Mg-Fe-CO3 nano-layered double hydroxide/alginate composite scaffolds for bone substitution: porous architecture and mechanical properties. Next Materials, 2024, vol. 3, art. 100147, doi: https://doi.org/10.1016/j.nxmate.2024.100147

[2] Rstakyan V., Mkhitaryan L., Baghdasaryan L. et al. Stereolithography of ceramic scaffolds for bone tissue regeneration: influence of hydroxyapatite/silica ratio on mechanical properties. J. Mech. Behav. Biomed. Mater., 2024, vol. 152, art. 106421, doi: https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2024.106421

[3] Du Plessis A., Razavi S.M.J., Berto F. The effects of microporosity in struts of gyroid lattice structures produced by laser powder bed fusion. Mater. Des., 2020, vol. 194, art. 108899, doi: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108899

[4] Маслов Л.Б., Дмитрюк А.Ю., Жмайло М.А. и др. Исследование прочности эндопротеза тазобедренного сустава из полимерного материала. Российский журнал биомеханики, 2022, № 4, с. 19–33.

[5] Маслов Л.Б., Дмитрюк А.Ю., Жмайло М.А. и др. Конечно-элементный анализ напряженно-деформированного состояния эндопротеза тазобедренного сустава при ходьбе. Российский журнал биомеханики, 2021, № 4, с. 414–433.

[6] Saviour C.M., Gupta S. Design of a functionally graded porous uncemented acetabularcomponent: Influence of polar gradation. Int. J. Numer. Meth. Biomed. Engng., 2023, vol. 39, no. 6, art. 3709, doi: https://doi.org/10.1002/cnm.3709

[7] Bolshakov P., Raginov I., Egorov V. et al. Design and optimization lattice endoprosthesis for long bones: manufacturing and clinical experiment. Materials, 2020, vol. 13, no. 5, art. 1185, doi: https://doi.org/10.3390/ma13051185

[8] Bolshakov P., Kharin N., Kashapov R. et al. Structural design method for constructions: simulation, manufacturing and experiment. Materials, 2021, vol. 14, no. 20, art. 6064, doi: https://doi.org/10.3390/ma14206064

[9] Bahrami Babamiri B., Askari H., Hazeli K. Deformation mechanisms and post-yielding behavior of additively manufactured lattice structures. Mater. Des., 2020, vol. 188, art. 108443, doi: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.108443

[10] Maconachie T., Leary M., Lozanovski B. et al. SLM lattice structures: Properties, performance, applications and challenges. Mater. Des., 2019, vol. 183, art. 108137, doi: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.108137

[11] Kharin N., Bolshakov P., Kuchumov A.G. Numerical and experimental study of a lattice structure for orthopedic applications. Materials, 2023, vol. 16, no. 2, art. 744, doi: https://doi.org/10.3390/ma16020744

[12] Zhang X., Zhang K., Zhang B. et al. Mechanical properties of additively-manufactured cellular ceramic structures: a comprehensive study. J. Adv. Ceram., 2022, vol. 11, no. 12, pp. 1918–1931, doi: https://doi.org/10.1007/s40145-022-0656-5

[13] Yuan S., Chua C.K., Zhou K. 3D-printed mechanical metamaterials with high energy absorption. Adv. Mater. Technol., 2019, vol. 4, no. 3, art. 1800419, doi: https://doi.org/10.1002/admt.201800419

[14] Zhang R., Guo R. Voronoi cell finite element model to simulate crack propagation in porous materials. Theor. Appl. Fract. Mech., 2021, vol. 115, art. 103045, doi: https://doi.org/10.1016/j.tafmec.2021.103045

[15] Jiang Y., Shi K., Zhou L. et al. 3D-printed auxetic-structured intervertebral disc implant for potential treatment of lumbar herniated disc. Bioact. Mater., 2023, vol. 20, pp. 528–538, doi: https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2022.06.002

[16] Sandström C., Larsson F., Runesson K. Homogenization of coupled flow and deformation in a porous material. Comput. Methods Appl. Mech. Eng., 2016, vol. 308, pp. 535–551, doi: https://doi.org/10.1016/j.cma.2016.05.021

[17] Takano N., Fukasawa K., Nishiyabu K. Structural strength prediction for porous titanium based on micro-stress concentration by micro-CT image-based multiscale simulation. Int. J. Mech. Sci., 2010, vol. 52, no. 2, pp. 229–235, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2009.09.013

[18] Zhu L., Li M., Xu W. Direct design to stress mapping for cellular structures. Vis. Inform., 2019, vol. 3, no. 2, pp. 69–80, doi: https://doi.org/10.1016/j.visinf.2019.07.002

[19] Feng C., Cui Z. A 3-D model for void evolution in viscous materials under large compressive deformation. Int. J. Plast., 2015, vol. 74, pp. 192–212, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2015.06.012

[20] Al-Munajjed A.A., Hien M., Kujat R. et al. Influence of pore size on tensile strength, permeability and porosity of hyaluronan-collagen scaffolds. J. Mater. Sci.: Mater. Med., 2008, vol. 19, no. 8, pp. 2859–2864, doi: https://doi.org/10.1007/s10856-008-3422-5

[21] Xin T., Liang B., Wang J. et al. Experimental study on the evolution trend of the pore structure and the permeability of coal under cyclic loading and unloading. ACS Omega, 2021, vol. 6, no. 51, pp. 35830–35843, doi: https://doi.org/10.1021/acsomega.1c06118

[22] Zhang M., Sun H., Song C. et al. Pores evolution of soft clay under loading/unloading process. Appl. Sci., 2020, vol. 10, no. 23, art. 8468, doi: https://doi.org/10.3390/app10238468

[23] Duan B., Shen T., Wang D. Effects of solid loading on pore structure and properties of porous FeAl intermetallics by gel casting. Powder Technol., 2019, vol. 344, pp. 169–176, doi: https://doi.org/10.1016/j.powtec.2018.12.019

[24] Sun J., Dong Z., Zhu S. et al. Pore structure evolution of mudstone caprock under cyclic load-unload and its influence on breakthrough pressure. Front. Earth Sci., 2023, vol. 17, no. 3, pp. 691–700, doi: https://doi.org/10.1007/s11707-022-1019-9

[25] Diederichs A.M., Thiel F., Lienert U. et al. In-situ investigations of structural changes during cyclic loading by high resolution reciprocal space mapping. Procedia Struct. Integr., 2017, vol. 7, pp. 268–274, doi: https://doi.org/10.1016/j.prostr.2017.11.088

[26] Baptista R., Guedes M. Porosity and pore design influence on fatigue behavior of 3D printed scaffolds for trabecular bone replacement. J. Mech. Behav. Biomed. Mater., 2021, vol. 117, art. 7104378, doi: https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2021.104378

[27] Le V.-D., Pessard E., Morel F. et al. Fatigue behaviour of additively manufactured Ti-6Al-4V alloy: the role of defects on scatter and statistical size effect. Int. J. Fatigue, 2020, vol. 140, art. 105811, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2020.105811

[28] Wang B., Sun L., Pan B. Mapping internal deformation fields in 3D printed porous structure with digital volume correlation. Polym. Testing, 2019, vol. 78, art. 105945, doi: https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2019.105945

[29] Акифьев К.Н., Стаценко Е.О., Смирнова В.В. и др. Методика исследования пористости образцов с жидкостью рентгеновским компьютерным томографом при одноосном сжатии. Вестник ПНИПУ. Механика, 2023, № 2, c. 11–21.

[30] Саченков О.А., Большаков П.В., Герасимов О.В. и др. Устройство для определения структуры материала или образцов при одноосном сжатии и способ его использования. Патент RU 2755098. Заявл. 12.02.2021, опубл. 13.09.2021.

[31] Cai C., Song B., Xue P. et al. Effect of hot isostatic pressing procedure on performance of Ti6Al4V: surface qualities, microstructure and mechanical properties. J. Alloys Compd., 2016, vol. 686, pp. 55–63, doi: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.05.280

[32] Kanwar S., Al-Ketan O., Vijayavenkataraman S. A novel method to design biomimetic, 3D printable stochastic scaffolds with controlled porosity for bone tissue engineering. Mater. Des., 2022, vol. 220, art. 110857, doi: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110857