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金屬材料又發Science：揭露疲勞強度的物理起源

2022-09-13 16:12:56 作者：材料人來源：材料人分享至：

一、【導讀】

循環疲勞是工程系統中許多災難性故障的根本原因，著名的例子包括飛機、人造心臟瓣膜、假肢設備、電子封裝、鐵路、橋梁、海上平臺以及常規和核電站。由循環加載引起的金屬材料的弱化最終導致應力作用下的斷裂，通常大大低于在單向加載下引起斷裂的應力。這樣的故障通常發生在數百萬甚至數十億次循環之后，使預測故障何時發生復雜化。

設計安全關鍵元件，使其能夠超過臨界循環次數，需要了解材料在所需循環次數下的疲勞強度。疲勞壽命的變化可能歸因于材料加工或組件制造過程中引入的罕見缺陷的存在，或者如果這些缺陷不存在，來自材料本身的固有特征。在高或非常高的循環疲勞狀態下的疲勞強度與金屬材料的固有力學性能之間的相關性，包括屈服強度、極限抗拉強度和硬度，已經在文獻中得到了廣泛的報道。疲勞強度隨著屈服強度或極限抗拉強度的增加而增加。隨著外加應力的增加，金屬材料會發生不可逆的變形，表現為局部滑移事件，反復循環導致疲勞失效。本文在前人工作的基礎上，理清了金屬材料疲勞強度的起源問題。

二、【成果掠影】

近日，來自美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的J. C. Stinville等研究員通過考慮在循環的早期階段，大量單個材料在納米分辨率上的循環變形過程，識別了大量面心立方、六邊形密排和體心立方金屬材料的疲勞強度的物理來源。確定了屈服強度與極限抗拉強度、疲勞強度之間的定量關系，以及早期滑移定位事件的物理特征。對于滑移變形的合金，其疲勞強度可以通過第一個加載周期的滑移局部化振幅來預測。本文的觀察結果為眾所周知的經驗疲勞定律提供了物理基礎，并使一種通過測量滑移局部振幅來預測疲勞強度的快速方法成為可能。相關成果以“On the origins of fatigue strength in crystalline metallic materials”為題發表在國際綜合頂級期刊Science期刊上。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn0392

三、【核心創新點】

(1) 確定了屈服強度與極限抗拉強度、疲勞強度和早期滑移局部化物理特性之間的定量關系;

(2) 為經驗疲勞定律提供了物理基礎，使快速預測疲勞強度的方法成為可能。

四、【數據概覽】

圖1 拉伸性能與疲勞強度的關系；σY為屈服強度，σU為極限抗拉強度。疲勞強度σl為屈服強度(點)和抗拉強度(圓)的百分比。疲勞試驗采用VHCF(頻率為20 kHz，室溫拉伸壓縮循環至109次，R = σmin/σmax =-1.0)[鋼、鈦合金、高溫合金、高熵合金(fcc) CrMnFeCoNi、Cu、Ni、Ta和Nb合金]。疲勞數據僅限于因滑移而變形的材料，并且外部缺陷(例如，夾雜物或氣孔)含量極低的材料 2022 AAAS

圖2 表面滑移的定量測量；(A)左:掃描電鏡下HR-DIC測量得到的常規應變場。右:不連續的Heaviside-DIC方法提供了在變形過程中試樣表面發展的每個單滑動事件的定量測量。本文報道了沿滑移事件所引起的納米級位移；(B)鎳基高溫合金和純鈮多晶材料單向加載引起的表面滑移局部化。(C)多晶金屬在準靜態應變率單向變形時的工程應力-應變曲線。(D)在0.2%的宏觀塑性應變下，平均和5%的最高最大滑移強度與金屬屈服強度的函數關系。每個單滑移事件的最大滑移強度由滑移事件歸一化處理，以捕捉晶粒尺寸的影響。(E)研究滑移可逆性的反向加載。(F和G)鎳基高溫合金中在反向加載時顯示完全和部分可逆性的區域。通過HR-DIC得到位移場的三維表示 2022 AAAS

圖3 疲勞強度作為滑移幅值的函數；采用VHCF加載法測定了不同金屬材料的疲勞強度σl。由滑移引起的局部化振幅在單向加載0.2%應變時與接近于零的疲勞強度(拉伸)比進行比較，或再完全反向加載后，與-1的疲勞強度(拉伸-壓縮)進行比較。點是根據屈服強度的顏色編碼 2022 AAAS

圖4 金屬材料的疲勞強度和滑移局部化幅值的測量；(A)沉淀強化和固溶強化鎳基高溫合金Inconel 718的疲勞曲線，在VHCF體系中以-1的比率進行測試。最大應力顯示為MPa(左)和屈服強度的百分比(右)。(B)完全反向加載下沉淀強化和固溶強化Inconel 718的相關工程應力-應變曲線。(C) 拉伸部分(黑色)和完全反向加載(紅色)后通過沉淀加強的Inconel 718合金的最高滑移強度分布。負值表示相反的滑移事件;正值與擠壓方向有關。對壓縮后分布的水平軸(計數) 進行了調整，以便更好地進行比較。(D)與(C)采用固溶體強化的Inconel 718相同 2022 AAAS

圖5 體心立方金屬的疲勞和局部化；(A)各種金屬的疲勞強度與屈服強度成正比。在VHCF狀態[鋼;Ti合金;高溫合金;高熵合金(fcc) CrMnFeCoNi;Cu, Ni, Ta和Nb合金]和高周疲勞狀態[Mo, W, Ta, Nb, Fe和Co合金;HfNbTaTiZr合金;鋼;鋁;鎂；(B) 各種金屬的平均和最高5%的最大滑移強度作為金屬屈服強度的函數。每個單滑移事件的最大滑移強度經過滑移事件歸一化處理，以得到晶粒尺寸的影響 2022 AAAS

五、【總結與展望】

金屬材料的疲勞循環變形已經導致了成千上萬的失效或者事故。有機的將疲勞強度與微觀結構定量聯系是非常困難的。本研究通過拉伸力學性能建立預測疲勞性能的物理模型，為輕松預測疲勞強度鋪平道路。

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