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兩篇Acta Materialia 解析工程材料疲勞和縮頸損傷新特征

2022-01-27 15:30:26 作者：材料人來源：材料人分享至：

如何提高發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的服役壽命，如何評(píng)價(jià)或預(yù)測高強(qiáng)緊固件的服役安全等，是目前國內(nèi)工業(yè)界急需解決的關(guān)鍵工程問題。上述問題的解決，迫切依賴相關(guān)基礎(chǔ)理論的逐步突破。

金屬材料的彈性變形是可恢復(fù)的，因此不會(huì)引入損傷。對(duì)于金屬材料的塑性變形，其主要涉及位錯(cuò)的滑移，變形孿生，相變，蠕變等。上述變形機(jī)理的交互作用，必然會(huì)導(dǎo)致晶體材料內(nèi)點(diǎn)缺陷，線缺陷，及面缺陷的增殖。這些缺陷隨著塑性變形的累積和分布，決定了材料的損傷行為。上述問題的復(fù)雜性在于彈性變形和塑性變形存在非線性交互作用。目前，學(xué)術(shù)上仍缺乏有效的理論或數(shù)值手段對(duì)金屬材料的變形損傷做出定量的表征和預(yù)測。

北京科技大學(xué)的解清閣副研究員，王沿東教授團(tuán)隊(duì)，楊平教授團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合廣東材料研究所的閆星辰副研究員，愛爾蘭圣三一大學(xué)的Yin Shuo教授，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的An Ke首席科學(xué)家和Yu Dunji研究員，芬蘭阿爾托大學(xué)的Lian Junhe教授，匈牙利羅蘭大學(xué)的Sidor Jurij教授，上海大學(xué)的陳超越副教授，重慶大學(xué)的孫豐偉副教授等，通過原位中子衍射表征，微觀組織表征，和理論計(jì)算，確認(rèn)了常見工程材料：鋁合金和含錳鋼的變形損傷機(jī)理。相關(guān)結(jié)論有助于對(duì)工程材料的疲勞損傷和縮頸損傷提供損傷判據(jù)和定量表征，為疲勞壽命預(yù)測提供理論基礎(chǔ)。上述成果分別于2020和2022年發(fā)表在Acta Materialia上。

鋁合金的縮頸失效機(jī)理

鋁合金近乎彈性各向同性，在與塑性變形的相互競爭中，非常容易產(chǎn)生縮頸現(xiàn)象。而縮頸和塑性變形的位錯(cuò)滑移行為密切關(guān)聯(lián)。通過大量實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)縮頸的擴(kuò)展主要發(fā)生在拉伸-壓縮疲勞的拉伸卸載階段，從而最終失效，如圖1所示。注意，這里的點(diǎn)陣應(yīng)變是彈性點(diǎn)陣應(yīng)變，其可以通過中子衍射來原位測量。而不同點(diǎn)陣應(yīng)變對(duì)應(yīng)不同的晶粒群（特定<hkl>方向平行于加載軸或垂直于加載軸）。從圖1可以發(fā)現(xiàn)<111>點(diǎn)陣應(yīng)變垂直于加載軸對(duì)應(yīng)的縮頸損傷最明顯。而該晶粒群是鋁合金中損傷最嚴(yán)重的晶粒。

圖1 鋁合金不同損傷階段的點(diǎn)陣應(yīng)變表現(xiàn)：黃色箭頭指示縮頸損傷行為

同時(shí)，試樣縮頸失效后，表面看不到任何孔隙。通過CT測量表明，微孔隙都在材料的內(nèi)部。如果以試樣中心建立笛卡爾坐標(biāo)系，把孔隙在三維空間的分布按極圖的方式投影，發(fā)現(xiàn)孔隙的三維空間分布和殘余點(diǎn)陣應(yīng)變分布非常類似，如圖2所示。這里，殘余點(diǎn)陣應(yīng)變也表達(dá)在極圖中。可以看到心部對(duì)應(yīng)沿著軸向的壓縮殘余應(yīng)變，而其它孔隙對(duì)應(yīng)拉伸殘余點(diǎn)陣應(yīng)變。該規(guī)律的詳細(xì)機(jī)理解釋見參考文獻(xiàn)1。

圖2 縮頸失效導(dǎo)致內(nèi)部孔隙和殘余點(diǎn)陣應(yīng)變的分布規(guī)律

通過介觀-宏觀尺度的數(shù)字孿生仿真（圖3），可以看到：鋁合金的損傷在介觀尺度表現(xiàn)為帶狀組織形貌，而該形貌主要是由材料內(nèi)部析出和第二相硬顆粒導(dǎo)致的。圖6給出變形微觀組織對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測量和計(jì)算結(jié)果對(duì)比。計(jì)算表明，第二相顆粒會(huì)增加介觀尺度的變形非均勻性，從而產(chǎn)生帶狀組織。

圖3 鋁合金變形的數(shù)字孿生仿真

含錳鋼（Fe-18Mn）的疲勞損傷機(jī)理

鋼有強(qiáng)的彈性各向異性，使得其在拉伸時(shí)不容易產(chǎn)生縮頸。同時(shí)，拉伸/壓縮變形時(shí)，自由表面與試樣心部相比，對(duì)應(yīng)更強(qiáng)的棘輪效應(yīng)。因此，鋼的拉/壓疲勞失效位置主要在自由表面。不論是塑性變形還是彈性變形，拉伸都會(huì)導(dǎo)致側(cè)向收縮（反泊松比現(xiàn)象除外）。對(duì)于含錳鋼，在變形的時(shí)會(huì)發(fā)生大量變形孿晶，并且變形孿晶對(duì)應(yīng)針狀形貌。該形變孿生行為在拉伸-壓縮疲勞過程中有拉壓不對(duì)稱現(xiàn)象（拉伸過程積累的塑性變形組織在壓縮時(shí)沒有完全回復(fù)，或反之），其會(huì)導(dǎo)致自由表面內(nèi)，形變孿晶處的缺陷累積。而表面缺陷是疲勞裂紋形核的優(yōu)先位置。圖4右側(cè)，微區(qū)1給出典型的變形孿晶導(dǎo)致的表面缺陷。

圖4 含錳鋼拉/壓疲勞的表面缺陷表征

同時(shí)，疲勞損傷和晶粒的晶體學(xué)取向密切關(guān)聯(lián)。通過大量實(shí)驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在加載軸和垂直于加載軸方向，某些特定取向的晶粒信息可以反映疲勞損傷。如圖5所示，拉伸時(shí)，在垂直于加載軸的方向，111和422點(diǎn)陣應(yīng)變可以表征和反映材料的損傷程度。壓縮時(shí)，沿著加載方向，111，422， 311，220點(diǎn)陣應(yīng)變可以反映疲勞損傷。但是由于拉伸和壓縮過程中，裂紋擴(kuò)展在前者是有利的，而在后者會(huì)被抑制。因此，對(duì)于拉/壓疲勞的不同階段，表征疲勞損傷程度，需要沿不同方向，采用不同的點(diǎn)陣應(yīng)變來表征。詳細(xì)規(guī)律見參考文獻(xiàn)2。

圖5 含錳鋼拉/壓疲勞損傷的點(diǎn)陣應(yīng)變特征：點(diǎn)陣應(yīng)變按綠色箭頭方向演化就代表損傷。

疲勞壽命預(yù)測

綜上，塑性變形導(dǎo)致的位錯(cuò)等缺陷的累積是變形損傷的本質(zhì)。上述兩種材料的損傷行為都可以通過晶粒的Taylor Factor大小來定量表征。這里Taylor Factor等于給定晶粒內(nèi)部，所有滑移系或?qū)\生系的剪切和（sum of plastic shears）。

但是，由于損傷的演變涉及裂紋的形核與擴(kuò)展，由于后者在拉伸和壓縮變形時(shí)的行為差異，導(dǎo)致變形損傷的表現(xiàn)也不同。實(shí)際多尺度模擬損傷時(shí)，既要考慮裂紋擴(kuò)展行為的差異，也要考慮微裂紋導(dǎo)致局域有效彈性模量的降低。當(dāng)前晶體塑性模型對(duì)疲勞壽命的預(yù)測仍然依賴一些經(jīng)驗(yàn)參量，從而限制了模型的工業(yè)應(yīng)用：疲勞壽命預(yù)測。目前，課題組正在開發(fā)考慮（1）裂紋形核與擴(kuò)展，（2）等效彈性模量由于微裂紋的累積而降低，而導(dǎo)致的拉伸壓縮損傷行為的差異，從而真正達(dá)到基于介觀組織的疲勞壽命定量計(jì)算。

文章第一作者簡介

解清閣，目前第一作者的文章有：4篇Acta Materialia，1篇PNAS （Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）， 1篇 Acta Materialia Corrigendum, 2篇 Scripta Materialia, 3篇Materials Science and Engineering A, 及數(shù)篇其它期刊。博士畢業(yè)于比利時(shí)魯汶大學(xué)。曾在美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室做兩年博士后，之后在新加坡科技局高性能計(jì)算中心擔(dān)任Scientist （崗位Scientist II, Stage III）。2018年末，辭去新加坡工作，全職在北京科技大學(xué)鋼鐵共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心工作。目前為副研究員。主要從事金屬加工和服役的介觀-宏觀尺度的表征和數(shù)字孿生（見圖6），兼顧基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用：高強(qiáng)金屬組織/應(yīng)力控制，增材制造的組織/應(yīng)力控制，高速?zèng)_擊的斷裂行為等研究。歡迎感興趣的老師/同學(xué)聯(lián)系和交流。

圖6 微觀組織數(shù)字孿生實(shí)例

參考文獻(xiàn)

Q.Xie, J. Lian, J. Sidor, F. Sun, X. Yan, C. Chen, T. Liu, W. Chen, P. Yang, K. An, Y. Wang, Crystallographic orientation and spatially resolved damage in a dispersion hardened Al alloy, Acta Materialia 193（2020） 138-150.

Q.Xie, Z. Yan, D. Yu, K. An, X. Yan, S. Yin, B. Gillham, X. Wu, P. Yang, Z. Zhao, Y. Wang, Crystallographic orientation and spatially resolved damage for polycrystalline deformation of a high manganese steel, Acta Materialia 226（2022） 117628.

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