金屬零件在高周疲勞（HCF）條件下的失效方式通常由微裂紋的形核和擴展來控制，而微裂紋的形核和擴展受局部微結(jié)構(gòu)的影響。因此，在顯微組織尺度上疲勞行為的表觀通常與局部微觀結(jié)構(gòu)特征的變化有關(guān)，即晶粒尺寸，晶體織構(gòu)，缺陷，析出物。

與實驗樣本相比，在現(xiàn)實生活中的結(jié)構(gòu)件中，由于不良的表面粗糙度導(dǎo)致的孔、夾雜物或缺口形式等缺陷會引起應(yīng)力升高，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞性能下降。因此，需要詳盡的實驗和模擬工作來評估疲勞性能并確定固有的過程-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系。目前已有一些人研究和預(yù)測了這些缺陷在結(jié)構(gòu)件的高周疲勞行為中的作用，特別是在平均拉伸載荷下。但由于微觀結(jié)構(gòu)的變化，它們不能解決隨機疲勞行為。

本研究中，通過使用晶體塑性有限元方法（CPFEM）模擬研究了平均應(yīng)力對含孔洞鋁合金疲勞行為的影響。相關(guān)論文以題為“Micro-mechanical investigation of fatigue behavior of Al alloys containing defects ”于近期發(fā)表在Materials Science and Engineering: A。

論文鏈接： https://sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0921509320300460

研究人員提出了一種晶體塑性有限元（CPFEM）模擬框架，在Al-5083 / Al-5.8%Mg合金板的MIG焊接接頭上獲得了平均應(yīng)力對疲勞壽命和裂紋擴展行為的影響的實驗數(shù)據(jù)，模擬計算是使用材料微觀結(jié)構(gòu)的2D代表模型，該模型是使用EBSD測量數(shù)據(jù)通過各向異性算法生成的。對于每種載荷條件，使用的網(wǎng)格是尺寸為6 ?m的六節(jié)點平面應(yīng)變型二次三角形（CPE6），共生成了10種不同的微觀結(jié)構(gòu)模型。

圖1 （a）鋁合金微觀結(jié)構(gòu)有；（b）沒有表面缺陷的合成多晶的幾何形狀和網(wǎng)格（c）不同網(wǎng)格大小的示例

本文僅專注于模擬計算的預(yù)測。研究了兩種不同類型的情況：一種沒有缺陷，另一種有半圓形表面缺陷。為了更好地比較結(jié)果，在不同應(yīng)力范圍和應(yīng)力比（R比率）下的模擬載荷與實驗條件相似。當(dāng)不考慮缺陷時，在不同的R比率下觀察到的預(yù)測疲勞壽命與實驗數(shù)據(jù)存在明顯偏差：預(yù)測的疲勞壽命高于實驗觀察到的疲勞壽命，預(yù)測的疲勞壽命比R=0.5和0.1的實驗觀察值高10倍。這可能是因為未考慮缺陷對疲勞壽命的有害影響。但是，當(dāng)考慮到缺陷時，不同R比率的預(yù)測結(jié)果與實驗疲勞壽命一致，裂紋萌生晶粒通常接近缺陷（≤350μm）。

圖2  在三種不同的應(yīng)變幅度下的實驗和模擬應(yīng)力-應(yīng)變滯后曲線：0.35%，0.5%，0.8%

圖3不同應(yīng)力，不同R比分布和宏觀應(yīng)力-應(yīng)變滯后曲線

圖4剪切應(yīng)變在具有表面缺陷和裂紋萌生晶粒（以紅色突出顯示）的不同微結(jié)構(gòu)中的分布

該項研究成果有望促進(jìn)對不同鋁合金結(jié)構(gòu)件疲勞壽命的預(yù)測，CPFE仿真技術(shù)的使用，模擬了微觀結(jié)構(gòu)與疲勞結(jié)構(gòu)件的關(guān)系，能夠應(yīng)對結(jié)構(gòu)件缺陷的隨機性。該技術(shù)不僅應(yīng)用于鋁合金結(jié)構(gòu)件中，還有望在不銹鋼、鎂合金等其他結(jié)構(gòu)件中得到運用。可以節(jié)約實驗成本，提高工作效率，精準(zhǔn)地預(yù)測結(jié)構(gòu)件的使用壽命。