3-24、金属材料疲劳性能高效评价方法

Efficient evaluation method for fatigue properties of metallic materials

张鹏^*，张振军，刘睿，王斌，李鹤飞，张哲峰^*

中国科学院金属研究所，材料疲劳与断裂研究部

摘要：金属结构材料的疲劳断裂是工程构件失效的主要方式之一，优化材料疲劳性能是提高构件服役性能的重要基础，而准确预测疲劳寿命是构件安全服役的保障。然而，目前“工艺-组织-静态力学性能-疲劳性能”链条上部分环节缺乏合理的预测理论，使得金属材料疲劳性能优化仍以试错为主，而疲劳寿命预测也基于繁琐耗时的疲劳性能测试，成为了“材料基因工程”实现加速长期服役构件材料研发流程的瓶颈之一。因此，发展完善疲劳性能高效评价方法具有重要意义。本文针对“常规力学性能-疲劳性能”这一关键环节，一方面通过建立常规力学性能间关系，减少测试量；另一方面，通过发展疲劳性能预测理论，实现由简单易测的力学性能快速高效评价疲劳性能，从而实现了疲劳性能的高效评价。首先，常规力学性能关系方面，针对疲劳性能预测所需的关键常规力学性能，研究了硬度、拉伸性能、冲击韧性及断裂韧性等测试过程中的变形与损伤机制。通过建立“强度与硬度一般关系”， “抗拉强度-屈服强度-延伸率”关系及“拉伸强度-冲击韧性-断裂韧性”关系，构建了上述力学性能之间的关系网，达到了有效减少常规力学性能测试量的目的。其次，本文针对不同服役状态，选择了三个重要的疲劳性能指标：低周疲劳寿命、高周疲劳强度、疲劳裂纹扩展速率，并基于在疲劳性能预测理论方面的创新，建立了常规力学性能与它们之间的关系，初步实现了疲劳性能的预测。针对疲劳性能预测理论的进展，具体介绍如下：1）经典的Coffin-Manson公式与Basquin公式在低周疲劳寿命预测方面存在一定局限性，通过对TWIP钢疲劳寿命的研究发现，上述两种方法的评价结果截然相反。因此，作者引入滞回能作为主要损伤参量，提出了基于能量的低周疲劳寿命预测模型。一方面，可合理建立疲劳寿命与微观损伤机制的联系；另一方面，可根据拉伸静力韧度与加工硬化率预测该模型中的重要参数，从而实现低周疲劳寿命的预测。2）高强度材料疲劳强度随拉伸强度增加存在先升后降的趋势，此时，经典的Wöhler公式无法准确预测与优化其疲劳强度。本文从微观机制入手，深入分析了疲劳强度先升后降得本质原因，从而提出了“拉伸强度-延伸率”快速判断最优疲劳强度的判据，并基于成分、组织与大缺陷参量构建了疲劳强度预测模型，预测结果在多种钢、铜合金、铝合金及镁合金中进行了验证，预测结果与实验结果一致。3）以不同高强钢为研究对象，在Paris公式基础上，引入了强度因子与韧性因子两方面的参量，成功建立了疲劳裂纹扩展速率与材料强韧性的关系。并在此基础上，发展并提出了疲劳裂纹扩展速率等高线图解法，用于快速比较不同状态材料的疲劳裂纹扩展寿命。从而实现了疲劳裂纹扩展速率与扩展寿命的准确预测与优化。通过上述研究工作，在“常规力学性能-疲劳性能”关系方面，通过构建常规力学性能关系网与发展疲劳性能预测理论，建立了三种疲劳性能的高效评价方法，从而可以实现长期服役构件用材料研发流程的缩短。

关键词：疲劳寿命，疲劳强度，裂纹扩展速率，高效评价方法。

通讯作者：张哲峰，电话：024-23971043，Email: zhfzhang@imr.ac.cn

通讯作者：张  鹏，电话：024-83978870，Email: pengzhang@imr.ac.cn

DOI:10.12110/secondfmge.20181014.324