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  2. 力學頂刊:洞察"不可見"跨尺度合金疲勞損傷過程,一種逆向解決材料失效中的"圣杯"力學難題的方法
    2025-02-12 14:27:20 作者:機械工程材料 來源:機械工程材料 分享至:

    近日,美國田納西大學諾克斯維爾分校高雁飛教授和伊利諾伊大學周海明教授在固體力學頂刊Journalof the Mechanics and Physics of Solids上發表題目為“Mechanisticcohesive zone laws for fatigue cracks: Nonlinear field projection and in situsynchrotron X-ray diffraction (S-XRD) measurements”的研究論文,創新性的提出了非線性場正交分解法,有效對裂紋尖斷附近晶粒和亞晶粒尺度上對損傷過程進行定量評估。這項研究發表在最新一期的JMPS上,由田納西大學的高燕飛教授和伊利諾伊大學的哈克·本徹教授組成。

    疲勞失效給全球造成的損失約占國內生產總值的4%,這是一個普遍存在的問題,涉及從傳統航空航天工業到現代綠色能源技術的各個領域。盡管經過一個世紀的研究,積累了大量的測試數據、規范和標準、無損檢測技術以及關于延緩疲勞裂紋擴展的科學知識,但僅對裂紋尖端附近晶粒和亞晶粒尺度上的損傷過程進行了定性評估,而沒有進行定量評估,如圖1中左圖所示。這被認為這是破壞力學中的最后一個圣杯問題,由于尺寸限制無法提供定量的場測量,通過實驗原位測量技術觀察受限,目前主要依賴于失效后的分析。

    圖1裂紋尖端周圍包括“雜亂”的過程區(包括各種損傷過程)和“整潔”的過程區(塑性變形過程),而“雜亂”的過程區可以用粘結模型來表示。

    跨尺度研究通常通過彌散方法來解決,在此方法中,可以通過一組牽引-分離本構定律來表示損傷過程,其中包含一些歷史依賴性、不可逆性和遲滯性特征。圖2展示的各種形式均是可行的方案,因為在這些尺度上沒有進行過此類測量。

    圖2 疲勞裂紋模擬引入的多種不可逆性和遲滯性規律,包括卸載-再加載滯回、同時具有滯回與再加載不可逆性、彈性類型卸載時存在永久分離、以及本工作通過非線性場正交分解法和同步輻射測量的彈性應變場確定的鎂合金粘聚區規律。

    如前所述由于無法觀察到這些損傷演化過程,本文創新性的提出了以下方法:

    (1) 通過同步輻射X射線衍射測量疲勞裂紋尖端附近的晶格應變場 (空間分辨率為亞毫米級別),從而得到了,具體過程如示意圖3所示。

    圖3 采用同步輻射X射線衍射進行應變映射測量的裝置示意圖。在NFPM中使用最后一個周期的完全卸載狀態作為參考,利用Debye-Scherrer環的畸變可以提取平面內彈性應變張量。

    (2) 將零載荷構型作為新的參考,通過定義一個新場。若沿時間逆推,此場及其對應的應力場均呈彈性特性。

    (3) 現采用一組已知的輔助彈性場 (如位于粘聚區具有一對點力的Green方程),并結合Maxwell-Betti互易定理,針對如下所示的兩條路徑進行分析,如圖4所示。

    圖4 近裂紋尖端的三個不同區域的示意圖,用于通過非線性場正交分解法重構疲勞裂紋尖端粘聚區規律。

    (4) 通過使用由同步輻射X射線衍射構建的場以及由Green方程得到的場,我們能夠求解界面牽引力和離散函數。

     

     

    上述過程為本文提出的非線性場正交分解法,實現了從實驗測量的彈性應變場中定量獲取粘聚區規律,以ZK60鎂合金為例首次定量揭示了鎂合金的疲勞損失裂紋粘聚區行為,并為其他合金體系的疲勞裂紋粘聚區規律提供參考和研究方向。

    論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.jmps.2024.106010

    來源:材料科學與工程

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