對(duì)于材料的疲勞損傷與壽命預(yù)測(cè)，經(jīng)典的Basquin公式（1910年）與Coffin-Manson公式（1954年）分別選擇應(yīng)力幅與塑性應(yīng)變幅為參量進(jìn)行評(píng)價(jià)。然而，鑒于疲勞實(shí)驗(yàn)中應(yīng)力幅和應(yīng)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(huì)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(rèn)識(shí)疲勞損傷本質(zhì)與規(guī)律的先決條件。針對(duì)這一問題，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室材料疲勞與斷裂研究部研究員張哲峰課題組經(jīng)過長(zhǎng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)化指數(shù)，代表外界輸入能量轉(zhuǎn)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(guān)關(guān)系，代表材料的疲勞損傷容限；2） β 與微觀變形機(jī)制相關(guān)，代表疲勞損傷累積速率。因此，該模型能夠更加客觀地評(píng)價(jià)材料的疲勞性能和預(yù)測(cè)其疲勞壽命。同時(shí)，考慮恒應(yīng)力幅與恒應(yīng)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(jiǎn)化形式，這進(jìn)一步反映了該模型的合理性與普適性。

    在模型應(yīng)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(qiáng)韌性的同步提高均呈現(xiàn)出線性增加的趨勢(shì)，而疲勞損傷轉(zhuǎn)化指數(shù)β 卻隨之表現(xiàn)出截然相反的趨勢(shì)（圖2a，b）。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，β 的不同趨勢(shì)由微觀變形行為的差異所導(dǎo)致（圖2c，d）。模型參數(shù)與塑性變形機(jī)制的契合從微觀上證實(shí)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(xiàng)工作得到國家杰出青年科學(xué)基金與重點(diǎn)基金的資助。
 

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


 
  圖2. 滯回能模型的應(yīng)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(cuò)能（SFE）和短程有序（SRO）對(duì)
（c） Cu-Al合金微觀變形機(jī)制與（d）Fe-Mn-C鋼微觀變形機(jī)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）。

責(zé)任編輯：班英飛

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