晶体塑性疲劳指示因子研究方法综述

金属材料与结构的疲劳失效被视为工程领域的“癌症”,是微观结构逐渐劣化的结果,因此从微观角度准确预测材料与结构的疲劳裂纹萌生就显得极为必要与迫切。基于晶体塑性有限元的疲劳指示因子(Fatigue indicator parameters, FIP)能从微观角度较好地表征剪应变主导的疲劳裂纹驱动力,目前已经形成了累积塑性滑移类、应变能耗散类与多轴疲劳寿命预测准则改进的FIP等。累积塑性滑移类FIP是基于位错滑移与应力集中理论所建立,多个应用案例也表明能较好地描述疲劳驻留滑移带与三叉晶界应力集中等现象,具有形式简单、参数少等优点;应变能耗散类FIP是基于能量理论,不区分载荷模式与裂纹扩展优先方向,在高应变幅或复杂载荷状况下较累积塑性滑移类FIP更可靠;多轴疲劳寿命预测准则改进的FIP主要有基于Fatemi-Socie准则、Dang Van准则与Tanaka-Mura准则等修正的FIP,虽工程应用广泛,但是由于经验模型需要大量试验确定参数且临界平面与位错滑移平面的关系不明。为此,指出研究多轴疲劳损伤的临界平面与晶体塑性的滑移平面的物理一致性、以晶粒旋转数据直接构建晶体塑性FIP模型以及采用模糊数学分析晶体塑性FIP的特性是未来的发展方向,它们对于补充与完善晶体塑性FIP方法具有重要的理论意义与实用价值。

考虑应力梯度的缺口疲劳分散性研究

针对缺口部位的微观结构及尺寸导致的疲劳分散差异较大的问题,为准确预测缺口件的疲劳分散性,以矩形截面缺口件为例,采用宏观Chaboche循环塑性本构模型与细观晶体循环塑性本构模型相结合的有限元子模型方法,并考虑缺口效应,提出了以应力梯度影响因子、等效应力与纵向应变为变量的统计标准差作为疲劳指示因子FIP_(notch)。在不同位移载荷、位移载荷比和缺口直径大小情况下将疲劳指示因子FIP_(notch)与经典的Fatemi-Socie疲劳指示因子FIP FS进行疲劳分散性的比较与分析。结果表明:疲劳指示因子FIP_(notch)均能很好地预测不同位移载荷、位移载荷比和缺口直径下的缺口疲劳分散性,且比经典的FIP FS方法有更高的精度与适用性。

基于晶体塑性模型的304不锈钢疲劳寿命预测

基于晶体塑性理论生成的多晶体代表性单元,通过模拟拉伸试验获得具有宏观性能的晶体塑性材料参数;采用累积塑性应变作为疲劳指示因子进行疲劳寿命预测。结果表明:通过疲劳指示因子预测的疲劳寿命在试验获得的疲劳寿命的±2倍误差范围之内,模拟结果在可接受范围之内。

基于晶体塑性理论的镍基合金高温低周疲劳寿命预测方法

对Inconel 718镍基合金进行高温拉伸试验和低周疲劳试验,借助晶体塑性有限元方法分析合金的疲劳裂纹萌生过程。结果表明:Inconel 718镍基合金的高温低周疲劳裂纹萌生寿命随着总应变范围的增大而缩短;该镍基合金的高温低周疲劳裂纹容易在三叉晶界处萌生,这些区域存在较大的累积塑性滑移。

基于晶体塑性理论的高-低周疲劳寿命预测统一准则

在晶体塑性有限元的框架下建立了关于镍基合金Inconel 718(IN718)从低周疲劳(LCF)到高周疲劳(HCF)的寿命预测统一准则。在介观尺度下通常借助疲劳指示因子(FIP)进行寿命预测,例如基于FIP累积能量耗散可较好地预测IN718的LCF寿命,但对于HCF寿命的预测过于非保守,从而使工程构件面临过早疲劳失效的风险。因此在累积能量耗散的基础上考虑有效弹性能,定义一个新的FIP,即有效能。假设有效能的临界值是一个与加载条件无关的常数,当每周次的有效能累加到这个临界值时材料的疲劳寿命便可被确定。基于有效能的寿命预测准则不仅可较好地预测IN718的LCF寿命,还可较好地预测IN718的HCF寿命。然而结果显示不同应变幅下的有效能临界值并不相等,且不同应变幅下的有效能临界值与每周次的有效能间成双对数线性关系。基于此对基于有效能的寿命预测准则进行进一步的修正。结果表明修正的寿命预测准则不仅对LCF和HCF寿命有较高的预测精度,且其寿命预测稳定性也有提高。