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南工大&中國礦大《JMPS》：鎂合金低周疲勞行為的晶體塑性模擬！

2022-11-01 14:05:07 作者：材料科學(xué)與工程來源：材料科學(xué)與工程分享至：

鎂合金是迄今已知最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，在先進軌道交通和航空航天領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用將有助于輕量化和節(jié)能減排。鎂合金結(jié)構(gòu)件在服役過程中不可避免地承受循環(huán)載荷而發(fā)生疲勞失效。基于安全性及可靠性要求，鎂合金疲勞行為的相關(guān)研究至關(guān)重要。利用模型進行數(shù)值模擬是定量研究鎂合金疲勞變形行為的有效手段。然而強織構(gòu)鎂合金的低周疲勞主要由孿晶-退孿晶交替主導(dǎo)，對傳統(tǒng)的本構(gòu)模型提出了很大的挑戰(zhàn)。因此，在先前的模擬工作中往往難以同時準確預(yù)測鎂合金低周疲勞行為的力學(xué)響應(yīng)和變形機制。本研究采用考慮孿生與退孿生行為的彈粘塑性自洽（EVPSC-TDT）模型模擬了AZ31鎂合金沿RD方向應(yīng)變幅值為±2%條件下的低周疲勞行為，通過對比實驗測得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、峰值應(yīng)力和孿生體積分數(shù)等驗證模型的有效性。此外，首次預(yù)測了鎂合金全周期疲勞過程中晶格應(yīng)變演化，并結(jié)合中子衍射實驗結(jié)果，揭示了鎂合金循環(huán)變形中的孿生-退孿生行為及循環(huán)硬化機理。

近日，南京工業(yè)大學(xué)先進輕質(zhì)高性能材料研究中心信運昌教授與中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院郭曉倩副教授等人合作，采用修正的考慮孿生與退孿生行為的彈粘塑性自洽（EVPSC-TDT）模型，對AZ31鎂合金板材的低周疲勞行為進行了數(shù)值模擬（加載方向：軋制方向，應(yīng)變幅值：±2%），并與實時原位中子衍射測定的力學(xué)響應(yīng)和變形行為進行了比較。模擬結(jié)果很好地預(yù)測了全疲勞周期的遲滯回線和循環(huán)硬化響應(yīng)，以及最大孿晶體積分數(shù)和殘余孿晶的演化。首次準確預(yù)測了晶格應(yīng)變在整個疲勞周期中的演化規(guī)律。

此外本工作還發(fā)現(xiàn)在疲勞循環(huán)過程中，最大孿晶體積分數(shù)隨疲勞循環(huán)次數(shù)呈現(xiàn)出“先增加-后減小-再增加”的變化趨勢。這一發(fā)現(xiàn)糾正了先前認為最大孿晶體積分數(shù)在初始階段增加-后期趨于飽和的觀點。基于模擬結(jié)果對循環(huán)硬化機理也提出了新的見解：本研究認為壓縮階段的循環(huán)硬化主要與不可逆位錯導(dǎo)致的孿晶界固化和殘余孿晶的產(chǎn)生相關(guān)，而滑移與孿晶的相互作用是引起拉伸階段循環(huán)硬化的主要原因。該成果以題為“Crystal plasticity modeling of low-cycle fatigue behavior of an Mg-3Al-1Zn alloy based on a model, including twinning and detwinning mechanisms” 發(fā)布在Journal of the Mechanics and Physics of Solids上，其中郭曉倩副教授為論文第一作者，成瑤博士為論文的共同第一作者，信運昌教授為論文的通訊作者。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jmps.2022.105030

圖1 循環(huán)曲線

圖2孿晶體積分數(shù)演變

圖3 點陣應(yīng)變

綜上所述，該研究利用EVPSC-TDT模型成功地預(yù)測了整個循環(huán)周期的力學(xué)響應(yīng)和變形行為。首次模擬了晶格應(yīng)變在整個疲勞周期中的演化過程。此外結(jié)合中子衍射結(jié)果，對整個循環(huán)變形中孿生-退孿生行為及循環(huán)硬化機理有了新的認識。

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