超高周疲勞的案例
北航《IJF》：國產(chǎn)二代鎳基單晶合金超高周疲勞裂紋萌生競爭機制
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(huán)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(nèi)，單晶合金仍會發(fā)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(chǎn)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(tǒng)地研究了典型國產(chǎn)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(nèi)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(jié)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(fā)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(nèi)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 中國力學學會關于第四屆中國力學科學技術獎公告
經(jīng)評審決定:
授予“復雜約束下結(jié)構優(yōu)化設計理論與方法研究”（主要完成人：郭旭，閻軍，程耿東）中國力學自然科學一等獎；授予“渦與邊界層的耦合作用機理及控制”（主要完成人：王晉軍，張攀峰，馮立好）和“高強合金超高周疲勞裂紋萌生特征區(qū)機理與模型”（主要完成人：洪友士，孫成奇）中國力學自然科學二等獎。
授予“飛機典型結(jié)構抗鳥撞設計、分析及試驗驗證技術”（主要完成人：李玉龍，劉軍，索濤）中國力學科技進步一等獎；授予“船舶三維聲彈性理論及應用技術”（主要完成人：鄒明松，吳有生，祁立波）中國力學科技進步二等獎。
特此公告。
重載運輸車軸疲勞分析
5結(jié)語
隨著我國鐵路運輸向高速和重載方向的發(fā)展，在現(xiàn)有條件下，需要進一步定量研究影響車軸疲勞強度的因素，為新型車軸設計提供依據(jù)。其中包括材料疲勞性能的研究，動態(tài)力學性能研究，各種生產(chǎn)工藝的研究，車軸設計研究等，并對超高周疲勞下車軸鋼裂紋萌生和短裂紋的生長規(guī)律進行試驗研究，分析沖擊載荷和變幅載荷耦合作用對超高周疲勞損傷的影響和規(guī)律，從中尋找抑制車軸斷裂的方法并建立超高周疲勞壽命預測模型。
材料的疲勞特性
45CrNiMoVA鋼的低周疲勞特性和表面疲勞裂紋的在位觀測.rar
GZL鋁合金疲勞特性研究.rar
高強度鋼超高周疲勞特性試驗研究.rar
使用構件和零件的實際疲勞特性進行車輛疲勞壽命預測.rar
1Cr18Ni9Ti板狀光滑試樣應變疲勞特性試驗.rar
高周疲勞與低周疲勞
低周和高周疲勞的區(qū)分
根據(jù)產(chǎn)生裂紋所需的載荷循環(huán)次數(shù)，人們習慣將疲勞分為低周疲勞
和高周疲勞。兩者之間的界限并不明確，但通常以
1~
10萬次循環(huán)作為區(qū)分的依據(jù)。
在高周疲勞情況下，應力足夠低，因此應力-應變關系可以被認為是
線
彈性的。
而低周疲勞則包含非線性行為，材料應力-應變關系呈現(xiàn)滯回特性。
在分析高周疲勞時，應力范圍通常用于描述
受力
狀態(tài)
，而
在分析低周疲勞時，
則會選擇
應變范圍或耗散能量。
3. 高周疲勞的數(shù)學模型
材料疲勞領域的研究最早開始于
19 世紀，這一領域的持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生了許多疲勞預測方法。其中一個經(jīng)典模型就是 S-N 曲線。這一曲線將材料失效前所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)（即壽命）N 與單軸加載的應力幅值關聯(lián)起來。
曲線在水平軸上代表失效循環(huán)數(shù)，在垂直軸上代表載荷幅值。如果兩個軸都使用
log10
尺度，對于許多部件，載荷壽命關系將在很大的耐久性范圍內(nèi)近似于一條直線。
總的趨勢是，降低應力幅值，可以獲得更長的材料使用壽命。通常這種相關性非常強，可以達到應力幅值降低10% 就能夠?qū)⑹褂脡勖娱L50% 。
圖3
載荷與失效循環(huán)數(shù)的關系
某些材料在疲勞試驗中表現(xiàn)出了應力閾值，稱為疲勞極限，當應力低于該閾值時，
將
不會出現(xiàn)疲勞損傷，組件的運行壽命可以無限長。
對于鋼，在大約10
7
次循環(huán)時可能有一個持久極限，這意味著幅值小于疲勞極限載荷的循環(huán)不會導致疲勞破壞，無論它們被施加多少次。
并非所有材料都有疲勞極限。有些材料即使在低
水平應力作用下，也會因疲勞而失效，比如鋁合金。
展開 北航劉明杰/周嘉嘉《自然·通訊》精確定制受限聚合物流體的弛豫來制備超高能耗彈性體凝膠
【總結(jié)】
團隊開發(fā)了通過將聚合物流體注入聚合物網(wǎng)絡，在寬頻率范圍內(nèi)提供超高能量耗散的材料。能量耗散機制是由于聚合物流體鏈在網(wǎng)絡矩陣中的整個鏈運動引起的內(nèi)摩擦。
通過精確調(diào)節(jié)聚合物流體的弛豫時間，該材料可以在所需頻率下呈現(xiàn)最佳的能量耗散和機械性能。此外，通過將具有顯著不同鏈長的幾種聚合物流體注入基體，利用總體思路來設計寬頻率范圍內(nèi)的高能量耗散特性
。值得注意的是，與傳統(tǒng)阻尼材料不同，這種材料的模量在相應的頻率范圍內(nèi)是準穩(wěn)定的。此外，該材料還表現(xiàn)出優(yōu)異的拉伸性和抗疲勞性。因此，團隊預計這一設計理念將為開發(fā)具有廣泛實際應用的先進耗能材料提供通用方法。
參考文獻
：
doi.org/10.1038/s41467-021-23984-2
版權聲明
：「
高分子材料科學
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ABAQUS中的LCF(LOW CYCLE FATIGUE功能結(jié)合XFEM和PARIS法則可以模擬裂紋的疲勞擴展，計算裂紋每前進一步所需要的循環(huán)次數(shù)。下面給出了具體的C3、C4與Paris參數(shù)的計算過程，和自己看論文等的一些總結(jié)與經(jīng)驗，關于step的一些調(diào)整等，后面做了一個三維平板的案列，案例參考文獻中的參數(shù)，結(jié)果與文獻中較為符合，參考文獻和CAE也給出。
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abaqus低周疲勞開裂相關概念（適合新手）
一次加載達到一定數(shù)值后，若直接算出來的G≥Gc時，構件發(fā)生開裂，若直接算出來的G小于Gc時，雖然不會直接開裂，但是會隨著疲勞關系慢慢發(fā)展開裂，但并不是加載多小都能開裂，算出來的G值必須大于Gc的0.01倍，小于Gc的0.85倍。
當加載進入0.01Gc至0.85Gc區(qū)間（Gthresh≤G≤Gpl）時，△G單次循環(huán)加載下最大G值與最小G值得差值，C1、C2是材料常數(shù)，在一次循環(huán)后abaqus計算出△G，由此可以計算出N，即可知道多少次能開裂，開裂后裂縫增長的速率隨著次數(shù)的是多快即為C3△GC4，C1、C2、C3、C4均為給定的材料常數(shù)。
abaqus低周疲勞裂紋擴展仿真案例講解 ￥50
abaqus低周疲勞裂紋擴展仿真案例講解
基于ABAQUS和FE-SAFE的低周疲勞仿真 附MicromechanicsPlugin下載
1、綜述
機器、車輛和結(jié)構的零部件經(jīng)常會承受重復載荷的作用，由此產(chǎn)生的循環(huán)應力可導致相關材料發(fā)生微觀物理損傷，微觀損傷在連續(xù)的循環(huán)載荷作用下累積，直至發(fā)展成裂紋或其他宏觀損傷，這個過程稱為疲勞。疲勞分為高周疲勞和低周疲勞，一般將失效循環(huán)數(shù)小于次循環(huán)的疲勞稱為低周疲勞，將失效循環(huán)數(shù)大于此次數(shù)的疲勞稱為高州疲勞。低周疲勞一般采用基于應變的疲勞算法。
2、基于應變疲勞分析算法
穩(wěn)定循環(huán)應力-應變遲滯曲線如下圖，一般用Ramberg-Osgood方程表示，
（1）
其中，為彈性模量，為循環(huán)硬化系數(shù)，為循環(huán)應變硬化指數(shù)
圖1 穩(wěn)定的應力-應遲滯回曲線
應變-壽命曲線是在介于兩個極限應變之間的完全反向（R=-1）循環(huán)載荷條件下的疲勞試驗得到的，同時還需進行應力測量，試驗設備如圖2。彈性應變、塑性應變和總應變與疲勞壽命的關系如圖3，數(shù)學表達式如式（2），
（2）
其中為疲勞強度系數(shù)，為疲勞強度指數(shù)，為疲勞延展性系數(shù)，為疲勞延展指數(shù)
圖2 疲勞測試設備
圖3 彈性應變、塑性應變和總應變與壽命的關系曲線
Brown-Miller 方程廣泛運用于延展性金屬多軸疲勞計算中，損傷最大位置發(fā)生在最大剪應力所在的平面，同時能考慮剪應力和正應力的影響，如圖4所示。
（3）
其中，為最大剪應變，為正應力，為平均應力
圖4 Brown-Miller 算法示意
3 、有限元仿真
3.1 材料模型
硬化模型對疲勞仿真精度至關重要。
展開 
基于ansys渦輪盤蠕變及低周疲勞壽命可靠性分析方法
對于航空發(fā)動機高溫部件渦輪盤來說，蠕變失效和疲勞失效是其兩種主要的失效模式：在循環(huán)工作條件下，蠕變損傷和疲勞損傷不斷累積，并且蠕變損傷和疲勞損傷存在交互作用。因此，蠕變一疲勞損傷分析就成為渦輪盤壽命預測的重要組成部分。此外，由于金屬材料在高溫和高應力下存在明顯的蠕變變形，從而造成渦輪盤存在應力松弛現(xiàn)象，是否考慮應力松弛效應的壽命預測可能導致相差幾倍甚至上百倍的差別
基于ansys渦輪盤蠕變及低周疲勞壽命可靠性分析方法.pdf
高熵合金、中熵合金低周疲勞加載下的變形機理
圖3 多個不同取向的晶粒的位錯結(jié)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(huán)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(fā)表在《Scripta Materialia》上。研究發(fā)現(xiàn)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(jié)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。
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