北京大学李法新课题组在金属疲劳领域取得突破性进展

2022-01-17 11:53:26 作者：知社学术圈来源：知社学术圈分享至：

在过去的一百多年以来，金属的疲劳失效问题一直是工业界关注的核心问题之一。统计表明，工业构件的失效中有80-90%属于疲劳失效。发生疲劳失效的构件一般承受动态载荷，如高铁的车轴、发动机叶片等，其工作应力往往显著低于材料的屈服应力，构件失效一般发生在104-107，甚至109周次以上的循环载荷。金属的疲劳过程一般为：构件内部微缺陷或局部应力集中→局部塑性变形→局部微裂纹形成和发展→宏观裂纹出现→构件失效。现有的无损检测方法只能检测到长度2mm以上的宏观裂纹，对于尺寸更小的微裂纹，目前还缺少有效的检测方法。

最近，北京大学工学院李法新课题组在金属疲劳领域取得了突破性进展，他们提出采用测量内耗的方法来监测铝合金的疲劳失效，相关论文“ Detecting fatigue in aluminum alloys based on internal friction measurement using an electromechanical impedance method”作为主编精选（Editor's Pick）发表于Journal of Applied Physics。课题组2019级硕士生唐骥骅和2018级博士生谢明宇为论文的共同第一作者。

李法新课题组前期提出了基于压电机电阻抗、既准又快的模量内耗测量新方法（Rev Sci Instrum 2020, Editor's Pick, https://doi.org/10.1063/1.5135360），该方法测量模量的精度比ASTM标准高一个量级，测量内耗的误差小于2E-5。在此基础上，他们提出采用测量内耗的手段来监测金属的疲劳过程。实验结果表明，铝合金在拉压对称的疲劳加载过程中，内耗随加载的周次单调增加，破坏前的内耗值可以达到初始值的3倍以上（图1b），这表明内耗对于金属的疲劳损伤非常敏感。相比之下，样品的共振频率在失效前仅降低了不到2%（图1c）。不同的样品在疲劳过程中内耗的变化曲线可能相差很大（图2），但有一点是共同的，即在疲劳失效的后段，内耗随疲劳周次增加得很快，这一阶段可认为是微裂纹的形成和发展过程。

图1. 典型铝合金构件在不同疲劳周次加载后的：（a）电纳曲线；（b）内耗；（c）共振频率。

图2. 另外2个铝合金样品在疲劳过程中的内耗和共振频率变化

基于铝合金疲劳监测的实验结果，李法新课题组提出了基于内耗测量的金属疲劳失效预警准则，可在构件50-80%疲劳寿命时给出有效的预警。而且，由于微裂纹导致的疲劳失效是大多数结构材料失效的主要形式，该疲劳失效预警准则同样可适用于复合材料、陶瓷等其它结构材料。进一步，由于大部分机械类损伤失效可以归为材料内部连接的松动（疲劳），或者不同构件之间的连接松动（焊点失效，螺栓松动，胶层劣化等等），而这些内部或外部连接的松动将显著增大材料的内耗（或结构的阻尼）。因此，测量构件的内耗（或阻尼）可有效地判断构件的机械损伤，这比传统的测量频率（或模量）的方法更为敏感和有效。

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