金属材料又发Science：揭露疲劳强度的物理起源

虚谷纳物 2年前 (2022-09-09) 2442浏览

一、导读

循环疲劳是工程系统中许多灾难性故障的根本原因，著名的例子包括飞机、人造心脏瓣膜、假肢设备、电子封装、铁路、桥梁、海上平台以及常规和核电站。由循环加载引起的金属材料的弱化最终导致应力作用下的断裂，通常大大低于在单向加载下引起断裂的应力。这样的故障通常发生在数百万甚至数十亿次循环之后，使预测故障何时发生复杂化。

设计安全关键元件，使其能够超过临界循环次数，需要了解材料在所需循环次数下的疲劳强度。疲劳寿命的变化可能归因于材料加工或组件制造过程中引入的罕见缺陷的存在，或者如果这些缺陷不存在，来自材料本身的固有特征。在高或非常高的循环疲劳状态下的疲劳强度与金属材料的固有力学性能之间的相关性，包括屈服强度、极限抗拉强度和硬度，已经在文献中得到了广泛的报道。疲劳强度随着屈服强度或极限抗拉强度的增加而增加。随着外加应力的增加，金属材料会发生不可逆的变形，表现为局部滑移事件，反复循环导致疲劳失效。本文在前人工作的基础上，理清了金属材料疲劳强度的起源问题。

二、成果掠影

近日，来自美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的J. C. Stinville等研究员通过考虑在循环的早期阶段，大量单个材料在纳米分辨率上的循环变形过程，识别了大量面心立方、六边形密排和体心立方金属材料的疲劳强度的物理来源。确定了屈服强度与极限抗拉强度、疲劳强度之间的定量关系，以及早期滑移定位事件的物理特征。对于滑移变形的合金，其疲劳强度可以通过第一个加载周期的滑移局部化振幅来预测。本文的观察结果为众所周知的经验疲劳定律提供了物理基础，并使一种通过测量滑移局部振幅来预测疲劳强度的快速方法成为可能。相关成果以“On the origins of fatigue strength in crystalline metallic materials”为题发表在国际综合顶级期刊Science期刊上。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn0392

三、核心创新点

(1) 确定了屈服强度与极限抗拉强度、疲劳强度和早期滑移局部化物理特性之间的定量关系;

(2) 为经验疲劳定律提供了物理基础，使快速预测疲劳强度的方法成为可能;

四、数据概览

图1拉伸性能与疲劳强度的关系；σY为屈服强度，σU为极限抗拉强度。疲劳强度σl为屈服强度(点)和抗拉强度(圆)的百分比。疲劳试验采用VHCF(频率为20 kHz，室温拉伸压缩循环至109次，R = σmin/σmax=−1.0)[钢、钛合金、高温合金、高熵合金(fcc) CrMnFeCoNi、Cu、Ni、Ta和Nb合金]。疲劳数据仅限于因滑移而变形的材料，并且外部缺陷(例如，夹杂物或气孔)含量极低的材料 ©2022 AAAS

图2表面滑移的定量测量；(A)左:扫描电镜下HR-DIC测量得到的常规应变场。右:不连续的Heaviside-DIC方法提供了在变形过程中试样表面发展的每个单滑动事件的定量测量。本文报道了沿滑移事件所引起的纳米级位移；(B)镍基高温合金和纯铌多晶材料单向加载引起的表面滑移局部化。(C)多晶金属在准静态应变率单向变形时的工程应力-应变曲线。(D)在0.2%的宏观塑性应变下，平均和5%的最高最大滑移强度与金属屈服强度的函数关系。每个单滑移事件的最大滑移强度由滑移事件归一化处理，以捕捉晶粒尺寸的影响。(E)研究滑移可逆性的反向加载。(F和G)镍基高温合金中在反向加载时显示完全和部分可逆性的区域。通过HR-DIC得到位移场的三维表示 ©2022 AAAS

图3疲劳强度作为滑移幅值的函数；采用VHCF加载法测定了不同金属材料的疲劳强度σl。由滑移引起的局部化振幅在单向加载0.2%应变时与接近于零的疲劳强度(拉伸)比进行比较，或再完全反向加载后，与-1的疲劳强度(拉伸-压缩)进行比较。点是根据屈服强度的颜色编码 ©2022 AAAS

图4金属材料的疲劳强度和滑移局部化幅值的测量；(A)沉淀强化和固溶强化镍基高温合金Inconel 718的疲劳曲线，在VHCF体系中以-1的比率进行测试。最大应力显示为MPa(左)和屈服强度的百分比(右)。(B)完全反向加载下沉淀强化和固溶强化Inconel 718的相关工程应力-应变曲线。(C) 拉伸部分(黑色)和完全反向加载(红色)后通过沉淀加强的Inconel 718合金的最高滑移强度分布。负值表示相反的滑移事件;正值与挤压方向有关。对压缩后分布的水平轴(计数) 进行了调整，以便更好地进行比较。(D)与(C)采用固溶体强化的Inconel 718相同 ©2022 AAAS

图5体心立方金属的疲劳和局部化；(A)各种金属的疲劳强度与屈服强度成正比。在VHCF状态[钢;Ti合金;高温合金;高熵合金(fcc) CrMnFeCoNi;Cu, Ni, Ta和Nb合金]和高周疲劳状态[Mo, W, Ta, Nb, Fe和Co合金;HfNbTaTiZr合金;钢;铝;镁；(B) 各种金属的平均和最高5%的最大滑移强度作为金属屈服强度的函数。每个单滑移事件的最大滑移强度经过滑移事件归一化处理，以得到晶粒尺寸的影响 ©2022 AAAS

五、成果启示

金属材料的疲劳循环变形已经导致了成千上万的失效或者事故。有机的将疲劳强度与微观结构定量联系是非常困难的。本研究通过拉伸力学性能建立预测疲劳性能的物理模型，为轻松预测疲劳强度铺平道路。

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