中科院力學所：提出微結構敏感的增材合金超高周疲勞裂紋萌生/擴展新理論

來源：中科院官網(wǎng)

導讀：增材制造金屬作為新一代“高設計自由度”材料，雖具有傳統(tǒng)鑄軋工藝無法比擬的優(yōu)勢，但其長期服役疲勞性能仍有不足。航空發(fā)動機、燃氣輪機和高鐵等關鍵零件，在服役過程中承受107~1010及以上的循環(huán)載荷，材料微結構敏感性顯著增強，實驗壽命分散性大，傳統(tǒng)基于疲勞極限（107）的疲勞強度與壽命設計理論不再適用。因此研究增材制造金屬材料的超高周疲勞（VHCF）失效機理，建立量化內部缺陷和微結構的超高周疲勞裂紋萌生/擴展理論框架具有重要的科學意義和工程應用價值。

增材制造金屬超高周疲勞裂紋通常萌生于內部缺陷，裂紋萌生階段通常占總壽命的95%以上。對于內部裂紋尚無合適的原位觀測手段捕捉納米級的裂紋長度變化，同時由于缺陷尺寸與晶粒在同一數(shù)量級，材料的各向同性假設不再適用。在理論層面，現(xiàn)有循環(huán)內聚區(qū)模型難以處理低于應力強度因子閾值的損傷演化，同時塑性變形和損傷是歷史相關的內變量，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，中國科學院力學研究所研究人員建立了耦合的晶體塑性/循環(huán)內聚區(qū)模型，引入單元通信機制，建立裂紋萌生演化準則，提出適用于超高周疲勞載荷的加速算法，對增材制造鋁合金疲勞裂紋萌生和擴展過程進行預測，并通過實驗驗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/擴展過程，揭示了增材制造鋁合金的VHCF裂紋萌生/擴展機理，建立了1:1還原實驗的缺陷、晶粒織構和載荷條件的有限元模型。同時，研究構建了超高周疲勞裂紋萌生及擴展的理論框架。首次將裂紋萌生過程中實體單元計算得到的晶體滑移內變量作為損傷參量引入內聚區(qū)模型，建立裂紋萌生和擴展準則，提出了基于向前歐拉法和頻率等效的加速算法，實現(xiàn)超高周疲勞裂紋萌生和擴展的全過程模擬，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。該研究還驗證了模型在超高周疲勞載荷下的有效性。計算結果表明，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)往復擠壓模型（NCP）所預測的FGA細晶區(qū)形成機理，同時模型可以有效計算裂紋閉合效應，預測的裂紋擴展速率與實驗結果吻合很好。

相關研究成果近期以《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《固體力學與物理雜志》（Journal of the Mechanics and Physics of Solids）上。研究工作得到國家自然科學基金的資助。

圖1(a)早期裂紋捕捉 (b)由內部缺陷誘發(fā)的次生裂紋 (c)早期裂紋形貌，對應載荷循環(huán)數(shù)3.63×108 (d)有限元模型及邊界條件 (e)內聚區(qū)單元網(wǎng)絡 (f)缺陷附近的內聚區(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 模型驗證：(a)KAM圖 (b)計算結果(c)裂紋擴展速率

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmps.2023.105293