最新Science正刊！金属材料疲劳领域获得重大突破！

2022-09-05 16:33:02 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

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。循环加载导致的金属材料的弱化最终导致断裂，其应力通常大大低于在单调加载(I)下导致断裂的必要应力。这样的失效往往发生在数百万甚至数十亿次循环之后，使预测失效何时发生的能力复杂化发生。

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。在疲劳强度测量中，在伺服液压试验机中，样品通常在最小和最大应力(Omin, Omax)之间循环，直到失效，频率接近1hz。在此频率下，应用100万个周期需要~278小时，或应用10亿个周期需要27.8万个小时(~32年)。随着超声疲劳测试方法的发展(2,3)，疲劳测试可以在20 kHz下进行，允许在~14小时内循环10亿次。这种加速测试方法能够在非常高的循环和强度下对更广泛的材料进行快速的疲劳表征

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，在文献中得到了广泛的报道。最有趣的是观察到疲劳强度随着屈服强度或极限抗拉强度的增加而增加。然而，绘制归一化疲劳强度与金属屈服强度或极限抗拉强度(图1)显示，在许多情况下，具有高强度的金属材料在应力低至屈服强度的25%时因疲劳而失效，表明疲劳效率明显较低。在微观结构尺度上连接拉伸、屈服强度和疲劳强度的物理过程和参数尚未完全了解。此外，为什么拉伸强度高的金属和合金具有如此低的疲劳效率也不清楚。大量的疲劳建模工作，使本构模型与大量的疲劳试验数据相匹配。

在此，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）J. C. Stinville教授团队等人本工作通过在循环的最初阶段考虑大量单个材料的纳米分辨率的循环变形过程，识别出大量面心立方、六方密排和体心立方金属材料的疲劳强度的物理起源。确定了屈服强度与极限抗拉强度、疲劳强度和早期滑动局部化事件的物理特性之间的定量关系。通过滑动变形的金属合金的疲劳强度可以通过在第一个加载循环期间滑动局部化的幅度来预测。为众所周知的经验疲劳定律提供了物理基础，并实现了一种快速预测疲劳强度并设计抗疲劳材料的方法。相关研究成果以题“On the origins of fatigue strength in crystalline metallic materials”发表在国际著名期刊Science正刊上。

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

▲图1. 拉伸性能与疲劳强度的关系

利用损伤或疲劳指标参数，大大提高了我们的预测能力。然而，这种模型所依赖的参数并不是所有金属材料都通用的。疲劳失效是由一系列复杂的过程发生的，包括循环塑性变形、裂纹形核和裂纹扩展到导致断裂的临界尺寸。循环变形过程是由晶体缺陷，即所谓的位错滑移产生的，这些缺陷发展成复杂的结构，如具有梯状结构的持续滑移带、变形带或疲劳剪切带。疲劳裂纹的成核被认为是一种被称为循环不可逆现象的结果，在这种现象中，位错在试样加载时沿着滑移面滑动，但在卸载或反向加载到压缩时不会回到原来的位置。这导致了塑性应变的非均匀积累，并伴随着样品表面的粗糙化

▲图2. 表面滑移局部化的定量测量

▲图3. 疲劳强度作为滑动幅度的函数

▲图4. 金属材料的疲劳强度和局部滑移幅度的测量

我们的数据表明，与FCC和HCP金属相比，BCC金属倾向于以更均匀的空间方式分布应变。纯Nb、纯钽，合金在单调加载过程中产生较低的平均滑移强度。因此，它们表现出非常高的疲劳效率，在某些情况下显示出高于屈服强度的疲劳强度。HfNbTaTiZr的特殊例子是一个有趣的例外，因为它显示了最高强度的滑移定位。这种合金中最强烈的滑移痕迹与抑制交叉滑移的特殊晶体取向有关。这些结果表明，对这类合金的晶体织构的控制可能是获得优异性能的关键。对导致高屈服强度BCC合金强烈局部化的位错机制的深入物理理解也可能为这类材料中的合金设计提供指导。

▲图5. 体心立方金属的疲劳和局部化

我们观察到在第一个周期发展的滑移局部化振幅和材料的疲劳强度之间的线性关系。对于因滑移而变形的材料，我们已经直接量化了滑移幅度、不可逆性和疲劳寿命之间的相互关系。我们的观察表明，在第一个循环中发生的塑性局部化自然地反映了材料循环不可逆的倾向。我们的分析还捕获了fcc和hcp材料与bcc相比行为的整体差异，以及bcc合金中更均匀变形的趋势。滑移分析对于识别具有异常行为的合金也非常有用，如bcc多主元合金HfNbTaTiZr，并为寻找抗疲劳合金提供了一种不同的方法。4这些结果表明，控制这类合金的晶体学织构对于获得优异的性能可能是至关重要的。对在高屈服强度bcc合金中导致强烈局部化的位错机制更深入的物理理解也可以为这类材料中合金的设计提供指导。

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