力学顶刊:洞察"不可见"跨尺度合金疲劳损伤过程,一种逆向解决材料失效中的"圣杯"力学难题的方法
2025-02-12 14:27:20 作者:机械工程材料 来源:机械工程材料 分享至:

近日,美国田纳西大学诺克斯维尔分校高雁飞教授和伊利诺伊大学周海明教授在固体力学顶刊Journalof the Mechanics and Physics of Solids上发表题目为“Mechanisticcohesive zone laws for fatigue cracks: Nonlinear field projection and in situsynchrotron X-ray diffraction (S-XRD) measurements”的研究论文,创新性的提出了非线性场正交分解法,有效对裂纹尖断附近晶粒和亚晶粒尺度上对损伤过程进行定量评估。这项研究发表在最新一期的JMPS上,由田纳西大学的高燕飞教授和伊利诺伊大学的哈克·本彻教授组成。

疲劳失效给全球造成的损失约占国内生产总值的4%,这是一个普遍存在的问题,涉及从传统航空航天工业到现代绿色能源技术的各个领域。尽管经过一个世纪的研究,积累了大量的测试数据、规范和标准、无损检测技术以及关于延缓疲劳裂纹扩展的科学知识,但仅对裂纹尖端附近晶粒和亚晶粒尺度上的损伤过程进行了定性评估,而没有进行定量评估,如图1中左图所示。这被认为这是破坏力学中的最后一个圣杯问题,由于尺寸限制无法提供定量的场测量,通过实验原位测量技术观察受限,目前主要依赖于失效后的分析。

图1裂纹尖端周围包括“杂乱”的过程区(包括各种损伤过程)和“整洁”的过程区(塑性变形过程),而“杂乱”的过程区可以用粘结模型来表示。

跨尺度研究通常通过弥散方法来解决,在此方法中,可以通过一组牵引-分离本构定律来表示损伤过程,其中包含一些历史依赖性、不可逆性和迟滞性特征。图2展示的各种形式均是可行的方案,因为在这些尺度上没有进行过此类测量。

图2 疲劳裂纹模拟引入的多种不可逆性和迟滞性规律,包括卸载-再加载滞回、同时具有滞回与再加载不可逆性、弹性类型卸载时存在永久分离、以及本工作通过非线性场正交分解法和同步辐射测量的弹性应变场确定的镁合金粘聚区规律。

如前所述由于无法观察到这些损伤演化过程,本文创新性的提出了以下方法:

(1) 通过同步辐射X射线衍射测量疲劳裂纹尖端附近的晶格应变场 (空间分辨率为亚毫米级别),从而得到了,具体过程如示意图3所示。

图3 采用同步辐射X射线衍射进行应变映射测量的装置示意图。在NFPM中使用最后一个周期的完全卸载状态作为参考,利用Debye-Scherrer环的畸变可以提取平面内弹性应变张量。

(2) 将零载荷构型作为新的参考,通过定义一个新场。若沿时间逆推,此场及其对应的应力场均呈弹性特性。

(3) 现采用一组已知的辅助弹性场 (如位于粘聚区具有一对点力的Green方程),并结合Maxwell-Betti互易定理,针对如下所示的两条路径进行分析,如图4所示。

图4 近裂纹尖端的三个不同区域的示意图,用于通过非线性场正交分解法重构疲劳裂纹尖端粘聚区规律。

(4) 通过使用由同步辐射X射线衍射构建的场以及由Green方程得到的场,我们能够求解界面牵引力和离散函数。

 

 

上述过程为本文提出的非线性场正交分解法,实现了从实验测量的弹性应变场中定量获取粘聚区规律,以ZK60镁合金为例首次定量揭示了镁合金的疲劳损失裂纹粘聚区行为,并为其他合金体系的疲劳裂纹粘聚区规律提供参考和研究方向。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.jmps.2024.106010

来源:材料科学与工程

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