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金屬所材料低周疲勞損傷與壽命預測研究獲進展

2016-01-22 09:26:50 作者：本網整理來源：

對于材料的疲勞損傷與壽命預測，經典的Basquin公式（1910年）與Coffin-Manson公式（1954年）分別選擇應力幅與塑性應變幅為參量進行評價。然而，鑒于疲勞實驗中應力幅和應變幅的差異，同一組數據經由不同疲勞模型分析后會產生迥異的規律（圖1）。因此，疲勞損傷參量的合理選擇成為正確認識疲勞損傷本質與規律的先決條件。針對這一問題，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室材料疲勞與斷裂研究部研究員張哲峰課題組經過長期系統的研究，提出了以能量作為主要損傷參量的滯回能模型。

在模型建立上，研究人員以循環變形過程中的滯回能為材料疲勞損傷輸入的總塑性功，定義有效轉化為疲勞損傷的參量為D=1/Nf=（Wa/W0）β，其中，W0 代表材料的本征疲勞韌性，β 為疲勞損傷轉化指數，代表外界輸入能量轉化成損傷材料的能力，二者均具有明確的物理意義：1）W0 與靜力韌性U 呈正相關關系，代表材料的疲勞損傷容限；2） β 與微觀變形機制相關，代表疲勞損傷累積速率。因此，該模型能夠更加客觀地評價材料的疲勞性能和預測其疲勞壽命。同時，考慮恒應力幅與恒應變幅疲勞的特殊條件，可證明經典的Basquin公式與Coffin-Manson公式均為該能量模型的簡化形式，這進一步反映了該模型的合理性與普適性。

在模型應用上，研究人員在Cu-Al合金與Fe-Mn-C鋼中發現疲勞韌性W0 隨其強韌性的同步提高均呈現出線性增加的趨勢，而疲勞損傷轉化指數β 卻隨之表現出截然相反的趨勢（圖2a，b）。進一步分析發現，β 的不同趨勢由微觀變形行為的差異所導致（圖2c，d）。模型參數與塑性變形機制的契合從微觀上證實了該能量模型的合理性。由此可知，疲勞損傷本質上可看作能量累積的過程，提高疲勞損傷容限（開源）與降低疲勞損傷累積速率（節流）是提高各種材料疲勞性能的根本手段（圖3）。

上述研究工作發表在Acta Materialia 83 （2015） 341、Acta Materialia 103 （2016） 781和Scientific Reports 5 （2015） 9550上。

該項工作得到國家杰出青年科學基金與重點基金的資助。

圖1. Fe-Mn-C鋼的疲勞壽命曲線：（a）塑性應變幅-壽命曲線（Coffin-Mansion公式）；
（b）應力幅-壽命曲線（Basquin公式）。采用應力與應變作為參數評價材料的疲勞壽命表現出相反的趨勢。

圖2. 滯回能模型的應用：（a）Cu-Al合金能量-壽命曲線；
（b）Fe-Mn-C鋼能量-壽命曲線；層錯能（SFE）和短程有序（SRO）對
（c） Cu-Al合金微觀變形機制與（d）Fe-Mn-C鋼微觀變形機制影響示意圖。

圖3. 材料疲勞壽命提高的策略：提高材料的疲勞損傷容限
（開源）與降低材料的疲勞損傷累積速率（節流）。