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北京大學(xué)李法新課題組在金屬疲勞領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展

2022-01-17 11:53:26 作者：知社學(xué)術(shù)圈來源：知社學(xué)術(shù)圈分享至：

在過去的一百多年以來，金屬的疲勞失效問題一直是工業(yè)界關(guān)注的核心問題之一。統(tǒng)計表明，工業(yè)構(gòu)件的失效中有80-90%屬于疲勞失效。發(fā)生疲勞失效的構(gòu)件一般承受動態(tài)載荷，如高鐵的車軸、發(fā)動機葉片等，其工作應(yīng)力往往顯著低于材料的屈服應(yīng)力，構(gòu)件失效一般發(fā)生在104-107，甚至109周次以上的循環(huán)載荷。金屬的疲勞過程一般為：構(gòu)件內(nèi)部微缺陷或局部應(yīng)力集中→局部塑性變形→局部微裂紋形成和發(fā)展→宏觀裂紋出現(xiàn)→構(gòu)件失效。現(xiàn)有的無損檢測方法只能檢測到長度2mm以上的宏觀裂紋，對于尺寸更小的微裂紋，目前還缺少有效的檢測方法。

最近，北京大學(xué)工學(xué)院李法新課題組在金屬疲勞領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展，他們提出采用測量內(nèi)耗的方法來監(jiān)測鋁合金的疲勞失效，相關(guān)論文“ Detecting fatigue in aluminum alloys based on internal friction measurement using an electromechanical impedance method”作為主編精選（Editor's Pick）發(fā)表于Journal of Applied Physics。課題組2019級碩士生唐驥驊和2018級博士生謝明宇為論文的共同第一作者。

李法新課題組前期提出了基于壓電機電阻抗、既準(zhǔn)又快的模量內(nèi)耗測量新方法（Rev Sci Instrum 2020, Editor's Pick, https://doi.org/10.1063/1.5135360），該方法測量模量的精度比ASTM標(biāo)準(zhǔn)高一個量級，測量內(nèi)耗的誤差小于2E-5。在此基礎(chǔ)上，他們提出采用測量內(nèi)耗的手段來監(jiān)測金屬的疲勞過程。實驗結(jié)果表明，鋁合金在拉壓對稱的疲勞加載過程中，內(nèi)耗隨加載的周次單調(diào)增加，破壞前的內(nèi)耗值可以達(dá)到初始值的3倍以上（圖1b），這表明內(nèi)耗對于金屬的疲勞損傷非常敏感。相比之下，樣品的共振頻率在失效前僅降低了不到2%（圖1c）。不同的樣品在疲勞過程中內(nèi)耗的變化曲線可能相差很大（圖2），但有一點是共同的，即在疲勞失效的后段，內(nèi)耗隨疲勞周次增加得很快，這一階段可認(rèn)為是微裂紋的形成和發(fā)展過程。

圖1. 典型鋁合金構(gòu)件在不同疲勞周次加載后的：（a）電納曲線；（b）內(nèi)耗；（c）共振頻率。

圖2. 另外2個鋁合金樣品在疲勞過程中的內(nèi)耗和共振頻率變化

基于鋁合金疲勞監(jiān)測的實驗結(jié)果，李法新課題組提出了基于內(nèi)耗測量的金屬疲勞失效預(yù)警準(zhǔn)則，可在構(gòu)件50-80%疲勞壽命時給出有效的預(yù)警。而且，由于微裂紋導(dǎo)致的疲勞失效是大多數(shù)結(jié)構(gòu)材料失效的主要形式，該疲勞失效預(yù)警準(zhǔn)則同樣可適用于復(fù)合材料、陶瓷等其它結(jié)構(gòu)材料。進(jìn)一步，由于大部分機械類損傷失效可以歸為材料內(nèi)部連接的松動（疲勞），或者不同構(gòu)件之間的連接松動（焊點失效，螺栓松動，膠層劣化等等），而這些內(nèi)部或外部連接的松動將顯著增大材料的內(nèi)耗（或結(jié)構(gòu)的阻尼）。因此，測量構(gòu)件的內(nèi)耗（或阻尼）可有效地判斷構(gòu)件的機械損傷，這比傳統(tǒng)的測量頻率（或模量）的方法更為敏感和有效。

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