中科院力學(xué)所：提出微結(jié)構(gòu)敏感的增材合金超高周疲勞裂紋萌生/擴(kuò)展新理論

來源：中科院官網(wǎng)

導(dǎo)讀：增材制造金屬作為新一代“高設(shè)計(jì)自由度”材料，雖具有傳統(tǒng)鑄軋工藝無法比擬的優(yōu)勢(shì)，但其長(zhǎng)期服役疲勞性能仍有不足。航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和高鐵等關(guān)鍵零件，在服役過程中承受107~1010及以上的循環(huán)載荷，材料微結(jié)構(gòu)敏感性顯著增強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)壽命分散性大，傳統(tǒng)基于疲勞極限（107）的疲勞強(qiáng)度與壽命設(shè)計(jì)理論不再適用。因此研究增材制造金屬材料的超高周疲勞（VHCF）失效機(jī)理，建立量化內(nèi)部缺陷和微結(jié)構(gòu)的超高周疲勞裂紋萌生/擴(kuò)展理論框架具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

增材制造金屬超高周疲勞裂紋通常萌生于內(nèi)部缺陷，裂紋萌生階段通常占總壽命的95%以上。對(duì)于內(nèi)部裂紋尚無合適的原位觀測(cè)手段捕捉納米級(jí)的裂紋長(zhǎng)度變化，同時(shí)由于缺陷尺寸與晶粒在同一數(shù)量級(jí)，材料的各向同性假設(shè)不再適用。在理論層面，現(xiàn)有循環(huán)內(nèi)聚區(qū)模型難以處理低于應(yīng)力強(qiáng)度因子閾值的損傷演化，同時(shí)塑性變形和損傷是歷史相關(guān)的內(nèi)變量，現(xiàn)有數(shù)值模擬方法無法處理超高周次的循環(huán)載荷數(shù)。

近日，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所研究人員建立了耦合的晶體塑性/循環(huán)內(nèi)聚區(qū)模型，引入單元通信機(jī)制，建立裂紋萌生演化準(zhǔn)則，提出適用于超高周疲勞載荷的加速算法，對(duì)增材制造鋁合金疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展過程進(jìn)行預(yù)測(cè)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。該研究捕捉到了超高周疲勞早期的裂紋萌生/擴(kuò)展過程，揭示了增材制造鋁合金的VHCF裂紋萌生/擴(kuò)展機(jī)理，建立了1:1還原實(shí)驗(yàn)的缺陷、晶�？棙�(gòu)和載荷條件的有限元模型。同時(shí)，研究構(gòu)建了超高周疲勞裂紋萌生及擴(kuò)展的理論框架。首次將裂紋萌生過程中實(shí)體單元計(jì)算得到的晶體滑移內(nèi)變量作為損傷參量引入內(nèi)聚區(qū)模型，建立裂紋萌生和擴(kuò)展準(zhǔn)則，提出了基于向前歐拉法和頻率等效的加速算法，實(shí)現(xiàn)超高周疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的全過程模擬，很好地模擬了裂紋萌生早期缺陷附近最大激活滑移系的演化。該研究還驗(yàn)證了模型在超高周疲勞載荷下的有效性。計(jì)算結(jié)果表明，由于裂紋表面的相互擠壓，裂紋面附近產(chǎn)生大量高局部累積塑性區(qū)，有力地支撐了大數(shù)往復(fù)擠壓模型（NCP）所預(yù)測(cè)的FGA細(xì)晶區(qū)形成機(jī)理，同時(shí)模型可以有效計(jì)算裂紋閉合效應(yīng)，預(yù)測(cè)的裂紋擴(kuò)展速率與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合很好。

相關(guān)研究成果近期以《A framework to simulate the crack initiation and propagation in very-high-cycle fatigue of an additively manufactured AlSi10Mg alloy》為題發(fā)表在《固體力學(xué)與物理雜志》（Journal of the Mechanics and Physics of Solids）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。

圖1(a)早期裂紋捕捉 (b)由內(nèi)部缺陷誘發(fā)的次生裂紋 (c)早期裂紋形貌，對(duì)應(yīng)載荷循環(huán)數(shù)3.63×108 (d)有限元模型及邊界條件 (e)內(nèi)聚區(qū)單元網(wǎng)絡(luò) (f)缺陷附近的內(nèi)聚區(qū)單元。

圖2 裂紋萌生早期缺陷附近最大激活滑移系的演化

(a) N=1×104 (b) N=5×105 (c)N=2.5×106

(d) N=4.5×106 (e) N=6.5×106 (f) N=8.5×106

圖3 模型驗(yàn)證：(a)KAM圖 (b)計(jì)算結(jié)果(c)裂紋擴(kuò)展速率