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最新Science正刊！金屬材料疲勞領(lǐng)域獲得重大突破！

2022-09-05 16:33:02 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

循環(huán)疲勞是工程系統(tǒng)中許多災(zāi)難性故障的根本原因，著名的例子包括飛機(jī)、人造心臟瓣膜、假肢設(shè)備、電子封裝、鐵路、橋梁、海上平臺(tái)以及常規(guī)和核電站。循環(huán)加載導(dǎo)致的金屬材料的弱化最終導(dǎo)致斷裂，其應(yīng)力通常大大低于在單調(diào)加載(I)下導(dǎo)致斷裂的必要應(yīng)力。這樣的失效往往發(fā)生在數(shù)百萬甚至數(shù)十億次循環(huán)之后，使預(yù)測失效何時(shí)發(fā)生的能力復(fù)雜化發(fā)生。

設(shè)計(jì)安全關(guān)鍵元件，使其能夠超過臨界循環(huán)次數(shù)，需要了解材料在所需循環(huán)次數(shù)下的疲勞強(qiáng)度。在疲勞強(qiáng)度測量中，在伺服液壓試驗(yàn)機(jī)中，樣品通常在最小和最大應(yīng)力(Omin, Omax)之間循環(huán)，直到失效，頻率接近1hz。在此頻率下，應(yīng)用100萬個(gè)周期需要~278小時(shí)，或應(yīng)用10億個(gè)周期需要27.8萬個(gè)小時(shí)(~32年)。隨著超聲疲勞測試方法的發(fā)展(2,3)，疲勞測試可以在20 kHz下進(jìn)行，允許在~14小時(shí)內(nèi)循環(huán)10億次。這種加速測試方法能夠在非常高的循環(huán)和強(qiáng)度下對(duì)更廣泛的材料進(jìn)行快速的疲勞表征

在高或非常高的循環(huán)疲勞狀態(tài)下的疲勞強(qiáng)度與金屬材料的固有力學(xué)性能之間的相關(guān)性，包括屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度和硬度，在文獻(xiàn)中得到了廣泛的報(bào)道。最有趣的是觀察到疲勞強(qiáng)度隨著屈服強(qiáng)度或極限抗拉強(qiáng)度的增加而增加。然而，繪制歸一化疲勞強(qiáng)度與金屬屈服強(qiáng)度或極限抗拉強(qiáng)度(圖1)顯示，在許多情況下，具有高強(qiáng)度的金屬材料在應(yīng)力低至屈服強(qiáng)度的25%時(shí)因疲勞而失效，表明疲勞效率明顯較低。在微觀結(jié)構(gòu)尺度上連接拉伸、屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的物理過程和參數(shù)尚未完全了解。此外，為什么拉伸強(qiáng)度高的金屬和合金具有如此低的疲勞效率也不清楚。大量的疲勞建模工作，使本構(gòu)模型與大量的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)相匹配。

在此，美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校（UIUC）J. C. Stinville教授團(tuán)隊(duì)等人本工作通過在循環(huán)的最初階段考慮大量單個(gè)材料的納米分辨率的循環(huán)變形過程，識(shí)別出大量面心立方、六方密排和體心立方金屬材料的疲勞強(qiáng)度的物理起源。確定了屈服強(qiáng)度與極限抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和早期滑動(dòng)局部化事件的物理特性之間的定量關(guān)系。通過滑動(dòng)變形的金屬合金的疲勞強(qiáng)度可以通過在第一個(gè)加載循環(huán)期間滑動(dòng)局部化的幅度來預(yù)測。為眾所周知的經(jīng)驗(yàn)疲勞定律提供了物理基礎(chǔ)，并實(shí)現(xiàn)了一種快速預(yù)測疲勞強(qiáng)度并設(shè)計(jì)抗疲勞材料的方法。相關(guān)研究成果以題“On the origins of fatigue strength in crystalline metallic materials”發(fā)表在國際著名期刊Science正刊上。

鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn0392

▲圖1. 拉伸性能與疲勞強(qiáng)度的關(guān)系

利用損傷或疲勞指標(biāo)參數(shù)，大大提高了我們的預(yù)測能力。然而，這種模型所依賴的參數(shù)并不是所有金屬材料都通用的。疲勞失效是由一系列復(fù)雜的過程發(fā)生的，包括循環(huán)塑性變形、裂紋形核和裂紋擴(kuò)展到導(dǎo)致斷裂的臨界尺寸。循環(huán)變形過程是由晶體缺陷，即所謂的位錯(cuò)滑移產(chǎn)生的，這些缺陷發(fā)展成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如具有梯狀結(jié)構(gòu)的持續(xù)滑移帶、變形帶或疲勞剪切帶。疲勞裂紋的成核被認(rèn)為是一種被稱為循環(huán)不可逆現(xiàn)象的結(jié)果，在這種現(xiàn)象中，位錯(cuò)在試樣加載時(shí)沿著滑移面滑動(dòng)，但在卸載或反向加載到壓縮時(shí)不會(huì)回到原來的位置。這導(dǎo)致了塑性應(yīng)變的非均勻積累，并伴隨著樣品表面的粗糙化

▲圖2. 表面滑移局部化的定量測量

▲圖3. 疲勞強(qiáng)度作為滑動(dòng)幅度的函數(shù)

▲圖4. 金屬材料的疲勞強(qiáng)度和局部滑移幅度的測量

我們的數(shù)據(jù)表明，與FCC和HCP金屬相比，BCC金屬傾向于以更均勻的空間方式分布應(yīng)變。純Nb、純鉭，合金在單調(diào)加載過程中產(chǎn)生較低的平均滑移強(qiáng)度。因此，它們表現(xiàn)出非常高的疲勞效率，在某些情況下顯示出高于屈服強(qiáng)度的疲勞強(qiáng)度。HfNbTaTiZr的特殊例子是一個(gè)有趣的例外，因?yàn)樗@示了最高強(qiáng)度的滑移定位。這種合金中最強(qiáng)烈的滑移痕跡與抑制交叉滑移的特殊晶體取向有關(guān)。這些結(jié)果表明，對(duì)這類合金的晶體織構(gòu)的控制可能是獲得優(yōu)異性能的關(guān)鍵。對(duì)導(dǎo)致高屈服強(qiáng)度BCC合金強(qiáng)烈局部化的位錯(cuò)機(jī)制的深入物理理解也可能為這類材料中的合金設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

▲圖5. 體心立方金屬的疲勞和局部化

我們觀察到在第一個(gè)周期發(fā)展的滑移局部化振幅和材料的疲勞強(qiáng)度之間的線性關(guān)系。對(duì)于因滑移而變形的材料，我們已經(jīng)直接量化了滑移幅度、不可逆性和疲勞壽命之間的相互關(guān)系。我們的觀察表明，在第一個(gè)循環(huán)中發(fā)生的塑性局部化自然地反映了材料循環(huán)不可逆的傾向。我們的分析還捕獲了fcc和hcp材料與bcc相比行為的整體差異，以及bcc合金中更均勻變形的趨勢。滑移分析對(duì)于識(shí)別具有異常行為的合金也非常有用，如bcc多主元合金HfNbTaTiZr，并為尋找抗疲勞合金提供了一種不同的方法。4這些結(jié)果表明，控制這類合金的晶體學(xué)織構(gòu)對(duì)于獲得優(yōu)異的性能可能是至關(guān)重要的。對(duì)在高屈服強(qiáng)度bcc合金中導(dǎo)致強(qiáng)烈局部化的位錯(cuò)機(jī)制更深入的物理理解也可以為這類材料中合金的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

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