合金疲勞
關注創建者：匿名 創建時間：2021-08-24
合金疲勞的視頻教程
精講如何利用abaqus進行金屬（鋁合金）的三維疲勞裂紋擴展分析
1 金屬的疲勞與失效 2 裂紋擴展的檢測及標準 3 有限元建模及基本關鍵字參數詳解 4 結果分析與討論
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6、生物型植入鈦合金股骨骨柄的疲勞分析 金屬股骨長時間植入人體，除了本身的強度要求外，還要計算確定其疲勞強度與疲勞壽命 7、鋼筋混凝土的開裂分析 以混凝土Solid65單元和鋼筋Link80單元，利用命令流實現兩種單元材料的耦合、求解。并結合使用了對稱建模的方法，求解混凝土在沖擊下的開裂情況。
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合金疲勞的實例教程
圖2 不同循環次數下的微觀結構
最后，通過研究不同晶粒取向的位錯結構發現，不同于單晶材料，在多晶CoCrFeMnNi合金中，晶粒取向與位錯結構的形成沒有直接的關系。因此作者認為，多晶材料中，不同位錯結構的形成更多地由相鄰晶粒的約束決定。此外，單個晶粒中多種位錯結構的形成也與相鄰晶粒的約束效應有關。
圖3 多個不同取向的晶粒的位錯結構
本文揭示的CoCrFeMnNi 高熵合金在低周疲勞下的變形機理，同樣適用于具有同等層錯能（Stacking Fault Energy）的其他FCC高熵合金。同時本文對比了該合金和316L奧氏體鋼的循環變形響應，解釋了高熵合金潛在的獨特疲勞性能的來源，為將來高抗疲勞性能的高熵合金設計提供了支持。
另外，該研究人員還對比研究了CoCrFeMnNi 高熵合金和CoCrNi中熵合金，相關成果以題目‘Superior low-cycle fatigue properties of CoCrNi compared to CoCrFeMnNi’發表在《Scripta Materialia》上。研究發現CoCrNi具有更好的疲勞性能，并將這種性能歸因于CoCrNi較低的層錯能。相較于CoCrFeMnNi中位錯的交滑移運動引起的墻和胞結構，CoCrNi的低層錯能促進了位錯的平面運動，使得塑性變形更加均勻，進而提高了疲勞性能。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.113667
*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。
本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。
展開 潛水器的每一次作業，耐壓艙都承受一次不斷變化的海水壓力（升載-保載-卸載）作用，這種載荷譜下的疲勞稱為保載疲勞（Dwell fatigue）。新型高強韌鈦合金是耐壓艙的首選材料，研究其保載疲勞特性對于深海潛水器的設計和可靠性評估具有重要意義。
研究發現，耐壓艙鈦合金的三種保載疲勞失效模式，即疲勞失效、延性失效及疲勞與延性混合失效。保載與疲勞載荷的相互作用加速了試樣的失效，并導致不同失效模式之間的競爭。研究進一步發現保載疲勞壽命與第一周次累積最大應變有關，二者在雙對數坐標下呈近似線性關系，間歇加載時間對鈦合金的保載疲勞行為沒有影響。實驗結果和理論分析揭示了鈦合金的保載疲勞機理，即保載產生的塑性變形增大了試樣的實際應力，這促進了已形成裂紋或損傷的擴展，同時，疲勞載荷部分導致的局部塑性應變增大了保載疲勞塑性應變的累積。
該研究由中國科學院力學研究所LNM微結構計算力學課題組與中國船舶重工集團公司第七〇二研究所等單位合作完成，得到國家重點研發計劃項目“深海裝備耐壓結構體、材料耐壓特性及評估技術研究”的支持。相關研究成果發表在Journal of Materials Science & Technology上，力學所孫成奇為論文的第一作者和通訊作者。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.10.063
圖1.(a)“奮斗者號”潛水器；(b)耐壓艙；(c)常規疲勞波形；(d)保載疲勞波形
圖2.保載疲勞3種失效模式。A-1~A-4：疲勞失效；B-1~B-4：延性失效；C-1~C-4：混合失效
圖3.
展開 高壓渦輪葉片的典型振動頻率為 1 kHz ~ 10 kHz，服役時間100 小時的循環周次為3×108 ~3×109，屬于超高周疲勞范疇（壽命≥108）。目前已有的對國外典型二代鎳基單晶合金的研究表明，在超高周疲勞范圍內，單晶合金仍會發生疲勞斷裂，且疲勞強度大幅下降，超高周疲勞成為渦輪葉片使用應當考慮的失效模式之一。目前缺乏對國產單晶合金的高溫超高周疲勞研究，且單晶合金的超高周疲勞裂紋萌生機制尚不明晰。
因此，北京航空航天大學的趙子華副教授團隊與萊斯特大學Bo Chen教授及北京航空材料研究所的許巍博士合作，系統地研究了典型國產二代鎳基單晶合金DD6在典型工作溫度（760 ℃、850 ℃及1000 ℃）和極限工作溫度（1100 ℃）下的超高周疲勞性能和裂紋萌生、擴展機理，著重研究了裂紋從內部缺陷處和表面氧化處萌生的競爭關系，討論了氧化、組織退化、再結晶等因素對DD6合金超高周疲勞行為的影響。該研究以題為“Transitionfrom internal to surface crack initiation of a single-crystal superalloy in the very-high-cycle fatigue regime at 1100 °C”發表在International Journal of Fatigue。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2021.106343
研究表明，在典型工作溫度下，DD6合金的超高周疲勞裂紋主要從單一內部缺陷（鑄造孔洞或疏松）處萌生，沿{111}晶體學平面擴展，這種擴展方式被稱為Stage I。
展開 論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117155
研究發現，Ni50.3Ti29.7Hf20合金在180℃進行單軸拉伸試驗時，加載過程中奧氏體在低應力水平下主要為彈性變形，楊氏模量約為90GPa，當應力達到約300MPa時，正向相變開始，奧氏體轉變為應力誘發馬氏體；卸載時，應力誘發馬氏體主要發生彈性變形，楊氏模量約為60GPa，然后轉變回奧氏體。通過積分已實現將結構材料的疲勞裂紋擴展速率擬合至Paris型冪律表達式中。
圖1Ni50.3Ti29.7Hf20高溫形狀記憶合金的BSE圖像和氧化物顆粒的大小分布
圖2Ni50.3Ti29.7Hf20高溫形狀記憶合金進行550℃×3h熱處理后的TEM圖
圖3 NiTiHf DCT試件在180℃時機械疲勞裂紋擴展的?J與da/dN關系圖
在本文實驗中證實該式可擬合來自所有實驗的疲勞裂紋擴展率數據并可使用同一組參數，冪律指數m約為2.2。疲勞斷口分析表明，機械裂紋擴展和驅動裂紋擴展均為準解理斷裂，表面氧化鉿的頻繁存在對裂紋擴展抗力產生了惡化作用。所獲得的結果表明，單一的經驗冪律表達式可以在廣泛的加載條件和幾何構型中實現所需的相似性，從而提供形狀記憶合金熱機械疲勞的統一描述，從而估算驅動力。
圖4180℃機械疲勞裂紋擴展實驗后NiTiHf DCT試樣斷口的SEM圖像
圖5 NiTiHf DCT試樣在250 N恒偏置載荷下驅動疲勞裂紋擴展實驗后的斷口SEM圖像
總的來說，本文首次對富鎳NiTiHf高溫形狀記憶合金進行了純機械和驅動疲勞裂紋擴展實驗。基于循環積分，提出了一種Paris型冪律裂紋擴展表達式，用于擬合各實驗單參數下的疲勞裂紋擴展速率。
展開 在以上思路的啟發下，研究者設計了一種多組分B2析出相強化HEA，來改善結構材料的疲勞性能。研究者發現，在~0.03%的低塑性應變幅下，通過加入韌性可轉變的多組分B2相，設計合金的疲勞壽命至少是其他常規合金的4倍，表現出更強的抗疲勞裂紋萌生能力。研究者通過使用最新的實時原位中子衍射和先進的電子顯微鏡，以及晶體塑性建模和蒙特卡羅(MC)模擬，揭示了其底層機制。在高熵合金中觀察到位錯滑移、析出強化、變形孿晶和可逆馬氏體相變等多種循環變形機制。研究表明，其在低應變幅下的疲勞性能的改善，即高的疲勞裂紋萌生抗力，歸因于B2強化相的高彈性、塑性變形能力和馬氏體相變。結果表明，將可變形的多組分金屬間析出相結合，并提供多種有益的循環變形機制的設計思想，為設計先進的抗疲勞合金提供了新的方向。
圖1 所研究的HEA的相和微觀結構信息。
圖2 Al0.5CoCrFeNi合金的拉伸和LCF結果。
圖3 實時原位中子衍射結果。
圖4 TEM和SEM表征了不同應變幅下的結構演變。
圖5 MC模擬結果。
圖6 所研究的HEA中的循環變形機制和微裂紋萌生行為示意圖。
綜上所述，研究者的工作為理解多組分B2析出強化HEA的循環變形機制提供了一個完整的思路，并通過引入可變形的多組分金屬間析出相來指導抗疲勞合金的設計，這些析出相可以通過調整HEAs成分和熱機械加工很容易實現。（
文：水生
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本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。
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，熱腐蝕也顯著降低渦輪盤合金的疲勞壽命[64]。
2.5 粉末中非金屬夾雜物的控制
粉末高溫合金中非金屬夾雜物會影響合金的低周疲勞性能[32,33]。對高溫合金母合金非金屬夾雜物分析表明，母合金純凈度對粉末的非金屬夾雜物含量有影響。粉末中部分非金屬夾雜物，如Mg 和Al的氧化物等，可能來源于熔煉過程中的耐火料。
Liao等[13] 基于ABAQUS 聯合Franc3D 提出了一種用于航空航天領域的鋁鋰合金修復結構剩余疲勞壽命估算方法。Mangardich等[14] 基于Franc3D 對某型航空發動機高壓壓氣機葉片在使用過程中發生斷裂的裂紋擴展進行了三維數值模擬。Wang 等[15] 利用ABAQUS 和Franc3D 研究了GH4169 高溫合金在滑動疲勞磨損條件下的裂紋擴展特性。
γ′相的形貌、尺寸和數量(體積分數)很大程度上決定合金的蠕變、疲勞等力學性能。增材熱影響區經歷反復熱循環，雖未經歷熔化過程，但其內應力水平顯著增加。反復熱循環作用下的局部內應力將在γ相通道內產生大量位錯，致使基材和沉積區γ′相的形貌尺寸存在較大差異。如圖 17(b)所示[108]，鑄態單晶基材γ′相尺寸較大、呈立方狀均勻分布，而沉積區γ′相尺寸較小、呈球狀不均勻分布。
表面處理：陽極化或陰極化表面處理都會在材料表面形成保護膜，降低外界的腐蝕作用，但此種處理會降低鋁合金的疲勞強度，且陰極化處理也不能用在高強度鋼材，或是對氫脆敏感的材料，因為表面陰極化會增加氫侵入的速度。
(in Chinese)
［12］王向明,劉文珽,王忠波.鈦合金焊接件疲勞特性評估的當量KT法[J].北京航空航天大學學報,2002,28(1):102-104.
加劇軸承、軸頸的磨損，破壞潤滑油膜的穩定性，使軸承合金產生疲勞裂紋，甚至燒毀。
損壞壓縮機的級間密封及軸封，使壓縮機效率降低，甚至造成爆炸、火災等事故。
影響與壓縮機相連的其他設備的正常運轉，干擾操作人員的正常工作，使一些測量儀表儀器準確性降低，甚至失靈。
一般機組的排氣量、壓力比、排氣壓力和氣體的密度越大，發生的喘振越嚴重，危害越大。
2.
由此可見，“獨立級”瀕海戰斗艦在采用鋁合金制造艦體時，雖然采用了高性能海洋級鋁合金材料，理論上具有很好的延展性，但恐怕在首次采用全鋁結構建造大型高速軍艦前，美國海軍和船廠心里都沒底，也沒有對鋁合金艦體的疲勞性能、斷裂性能、腐蝕性能和防火性能進行長期測試。這才導致以高速著稱的“獨立級”瀕海戰斗艦，出現了現在這種可能會因高速航行而導致艦體斷裂的風險出現。
經過熱等靜壓處理的鑄件，內部孔隙缺陷得以修補，設計更輕巧，產品擁有更好的延展性和韌性，性能波動減少，使用壽命更長(依靠合金系統，零件疲勞壽命增加近10倍)，能在不同材料之間形成冶金結合(擴散結合)。
經過熱等靜壓處理的鑄件，內部孔隙缺陷得以修補，設計更輕巧，產品擁有更好的延展性和韌性，性能波動減少，使用壽命更長(依靠合金系統，零件疲勞壽命增加近10倍)，能在不同材料之間形成冶金結合(擴散結合)。
