An experimental investigation about fatigue crack growth from internal defects in additively manufactured scalmalloy

Ensuring the structural integrity and durability of engineering materials is crucial, par- ticularly in safety-critical applications such as aerospace and mechanical. Additive man- ufacturing (AM) has revolutionized material fabrication due to the possibility of realizing light and strong components with complex shapes with near to zero material waste. How- ever, process-induced defects such as gas porosity and lack of fusion or residual stresses present significant challenges to structural reliability. The most critical failure mecha- nisms in AM-produced components is fatigue crack propagation originating from process inherent defects, which can significantly compromise mechanical performance. Whereas many data are available on the growth from internal defects, few studies have investi- gated the effects of internal CGR. A life increase of up to 10 times has been observed for internal propagation due to the null effects of humidity and oxidation on the mate- rial. Therefore, the present study investigates the crack propagation behavior of seeded internal defects in AM materials using the Direct Current Potential Drop (DCPD). The DCPD technique is a real-time method for monitoring crack growth in conductive materi- als, it permits the correlation between the increase in resistance due to ligament reduction with the crack length. While widely used for surface cracks, its feasibility for internal de- fect assessment is challenging. By integrating DCPD measurements with finite element method (FEM) simulations and by exploiting the scanning electron microscopy (SEM) analyses, this research establishes a robust calibration framework to correlate electrical potential drop signals with actual crack length. The findings contribute to the broader field of fracture mechanics by providing quantitative insights into internal crack growth kinetics and informing predictive modeling approaches for material failure. This research holds significant implications for improving non-destructive evaluation (NDE) methods and advancing the reliability of AM components in high-risk engineering applications.

Garantire l’integrità strutturale e la durabilità dei materiali è di fondamentale importanza in campo ingegneristico, in particular per component "safety-critical", come quelli larga- menti impiegati in campo aerospaziale e meccanico. La manifattura additiva (AM) ha rivoluzionato la fabbricazione dei materiali grazie alla possibilità di realizzare componenti leggeri e resistenti, caratterizzati da geometrie complesse e con un sfrido pressoché nullo. Tuttavia, i difetti indotti dal processo, quali porosità da gas, mancanza di fusione e ten- sioni residue, rappresentano sfide significative per l’affidabilità strutturale. Il principale meccanismo di cedimento nei componenti prodotti mediante AM è la propagazione di cricche da fatica originate da difetti intrinseci del processo, che possono compromettere significativamente le prestazioni meccaniche. Contrariamente ai difetti superficial, per cui molti datai di propagazione soon disponibili, pochi studio hanno indagato la propagazione causata da difetti inetrni. Questi hanno evidenziato un considerable aumento in termini di vita fino a 10 volte maggiore a parità di SIF, a causa dei trascurabili effetti di umidità e ossidazione. Alcuni studio, in fatti, hanno attribuito un considerevole effetto negative dell’ambiente a acusa dell’ifragilimento da idrogeno. Dunque il presente studio analizza il comportamento di propagazione delle cricche originate da difetti interni pre-inseriti nei materiali prodotti in additive, al fine di isolare il comportamento intrinseco di crescita dellecricchedaglieffettiambientali, migliorandol’accuratezzadellevalutazionisulladura- bilità dei material, utilizzando la tecnica della caduta di potenziale in corrente continua (Direct Current Potential Drop, DCPD). Il DCPD è un metodo in tempo reale per il monitoraggio della crescita delle cricche nei materiali conduttivi che sfrutta laumento di resistenza di un componente a causa della riduzione di sezione consentendo la misura della cricca. Sebbene ampiamente utilizzata per il rilevamento di cricche superficial, la sua ap- plicabilità alla valutazione di difetti interni rimane inesplorata. Integrando le misurazioni DCPD con simulazioni mediante il metodo degli elementi finiti (Finite Element Method, FEM) e analisi al microscopio elettronico a scansione (Scanning Electron Microscopy, SEM), questa ricerca sviluppa un solido framework di calibrazione per correlare i segnali di caduta di potenziale elettrico con la lunghezza effettiva della cricca. I risultati ottenuti contribuiscono al più ampio ambito della meccanica della frattura, fornendo approfondi- menti quantitativi sulla cinetica di propagazione delle cricche e supportando lo sviluppo di modelli predittivi per il cedimento dei materiali. Questa ricerca ha implicazioni signi- ficative per il miglioramento dei metodi di valutazione non distruttiva (Non-Destructive Evaluation, NDE) e per l’incremento dell’affidabilità dei componenti prodotti mediante AM nelle applicazioni ingegneristiche ad alto rischio.