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低周疲劳损伤与寿命预测的能量模型


对于材料的疲劳损伤与寿命预测,经典的Coffin-Manson公式与Basquin公式分别选择塑性应变幅与应力幅参量进行了评价。然而,对这些经典公式中各参数物理意义的认识却十分缺乏,这大大限制了对材料疲劳损伤本质的认识。因此,针对“什么是材料疲劳损伤的本质原因,如何建立更具普适性且物理意义明确的寿命预测模型?”两个问题,国家实验室研究人员以能量作为损伤的主要参量提出了疲劳损伤滞回能模型。

1.模型的提出:考虑循环变形过程中滞回能为材料疲劳损伤输入的塑性功,定义有效转化的疲劳损伤参量可表达为D = 1/Nf = (Wa / W0)β,其中,疲劳韧性W0与损伤转化指数代表材料抵抗疲劳损伤的能力,且具有明确的物理意义:(1)W0与静力韧性U一致,代表材料疲劳损伤容限;(2)β与微观变形机制相关,代表疲劳损伤速率。此外,考虑应变与应力疲劳的特殊条件,可证明Coffin-Manson公式与Basquin公式为此能量模型的简化形式,从而反映了该模型的合理性与普适性。

2.模型的应用:在Cu-Al合金与Fe-Mn-C中,发现W0随其强韧性的同步提高均呈现出线性增加趋势,而β却表现出截然相反的趋势。通过对其变形机制的分析发现,这主要与其微观变形机制有关。尤其在Fe-Mn-C中,此模型与应力、应变评价方法得到完全不同的结果,但其结果却与变形行为更为一致,这进一步证实了该能量模型的合理性。

基于上述研究,进一步提出了提高材料疲劳损伤容限(开源)与降低其疲劳损伤速率(节流)是改善材料疲劳性能的根本手段。相关研究成果发表在Acta Mater. 83 (2015) 341,Acta Mater. 103 (2016) 781和Scientific Reports 5 (2015) 9550上。

The hysteresis energy model applied in Cu-Al alloys (a) and Fe-Mn-C steels (b); Schematic representation for the mechanisms of dislocation planar slip caused by (c) low SFE and (d) SRO; (e) Schematic of improving the LCF property via optimizing W0 and β.

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