金屬所材料低周疲勞損傷與壽命預測研究獲進展

　　對于材料的疲勞損傷與壽命預測，經(jīng)典的Basquin公式（1910年）與Coffin-Manson公式（1954年）分別選擇應力幅與塑性應變幅為參量進行評價。然而，鑒于疲勞實驗中應力幅和應變幅的差異，同一組數(shù)據(jù)經(jīng)由不同疲勞模型分析后會產(chǎn)生迥異的規(guī)律（圖1）。因此，疲勞損傷參量的合理選擇成為正確認識疲勞損傷本質(zhì)與規(guī)律的先決條件。針對這一問題，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家（聯(lián)合）實驗室材料疲勞與斷裂研究部研究員張哲峰課題組經(jīng)過長期系統(tǒng)的研究，提出了以能量作為主要損傷參量的滯回能模型。

　　在模型建立上，研究人員以循環(huán)變形過程中的滯回能為材料疲勞損傷輸入的總塑性功，定義有效轉化為疲勞損傷的參量為D=1/Nf=(Wa/W0)β，其中，W0 代表材料的本征疲勞韌性，β 為疲勞損傷轉化指數(shù)，代表外界輸入能量轉化成損傷材料的能力，二者均具有明確的物理意義：1)W0 與靜力韌性U 呈正相關關系，代表材料的疲勞損傷容限；2) β 與微觀變形機制相關，代表疲勞損傷累積速率。因此，該模型能夠更加客觀地評價材料的疲勞性能和預測其疲勞壽命。同時，考慮恒應力幅與恒應變幅疲勞的特殊條件，可證明經(jīng)典的Basquin公式與Coffin-Manson公式均為該能量模型的簡化形式，這進一步反映了該模型的合理性與普適性。

　　在模型應用上，研究人員在Cu-Al合金與Fe-Mn-C鋼中發(fā)現(xiàn)疲勞韌性W0 隨其強韌性的同步提高均呈現(xiàn)出線性增加的趨勢，而疲勞損傷轉化指數(shù)β 卻隨之表現(xiàn)出截然相反的趨勢（圖2a，b）。進一步分析發(fā)現(xiàn)，β 的不同趨勢由微觀變形行為的差異所導致（圖2c，d）。模型參數(shù)與塑性變形機制的契合從微觀上證實了該能量模型的合理性。由此可知，疲勞損傷本質(zhì)上可看作能量累積的過程，提高疲勞損傷容限（開源）與降低疲勞損傷累積速率（節(jié)流）是提高各種材料疲勞性能的根本手段（圖3）。

　　上述研究工作發(fā)表在Acta Materialia 83 (2015) 341、Acta Materialia 103 (2016) 781和Scientific Reports 5 (2015) 9550上。

　　該項工作得到國家杰出青年科學基金與重點基金的資助。

　　圖1. Fe-Mn-C鋼的疲勞壽命曲線：（a）塑性應變幅-壽命曲線（Coffin-Mansion公式）；（b）應力幅-壽命曲線（Basquin公式）。采用應力與應變作為參數(shù)評價材料的疲勞壽命表現(xiàn)出相反的趨勢。

　　圖2. 滯回能模型的應用：（a）Cu-Al合金能量-壽命曲線；（b）Fe-Mn-C鋼能量-壽命曲線；層錯能(SFE)和短程有序（SRO）對（c） Cu-Al合金微觀變形機制與（d）Fe-Mn-C鋼微觀變形機制影響示意圖。

圖3. 材料疲勞壽命提高的策略：提高材料的疲勞損傷容限（開源）與降低材料的疲勞損傷累積速率（節(jié)流）。