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纳米马氏体板条界面崩塌:揭示应力疲劳加速软化的新机制

发布时间::2018-11-21  阅读次数:10

疲劳通常指在反复施加载荷的作用下,导致材料和结构发生破坏的一种现象。由于引起疲劳破坏的载荷远低于材料的强度极限,并且对结构的损伤往往是一点一点累积的,因此具有隐蔽性和突发性等危险。疲劳的另一个特点是,其失效多源于孔、槽等局部不连续部位,其受力状态复杂,往往是应力和位移耦合下的失效。华东理工大学轩福贞教授研究团队前期的研究证明,对于高温结构中广泛应用的多层分级板条马氏体钢,其应力疲劳与应变疲劳不同,从寿命初始就会出现加速的软化/损伤行为(Int. J. Fatigue 2016),而传统的疲劳分析往往利用单一的应变疲劳或应力疲劳数据进行评估,忽略了两者之间的差别,会导致过高估计疲劳寿命的问题。

应力疲劳中这种从寿命初始就出现的加速损伤/软化的行为,会导致结构的快速断裂及难以预测(由于没有稳态阶段),对设备的安全运行带来巨大的风险,是工程界中最不希望看到的现象。因此揭示应力疲劳的加速损伤机制并实现其科学描述至关重要。近日,轩福贞教授研究团队在这一领域取得重要研究进展,揭示了马氏体板条结构应力疲劳加速软化的新机制:纳米板条界面的间歇性崩塌(dislocation avalanche from lath boundary)。这一发现,把通常发生在微纳尺度中的不连续应变爆发(strain burst)现象成功引入到了体材料的连续力学模型中,并实现了加速损伤的科学描述。这一结果为科研工作者对重新认识循环塑性变形的内在本质及力学行为的跨尺度关联提供了新思路。该研究成果以“A physically-based model of cyclic responses for martensitic steels with the hierarchical lath structure under different loading modes”为题发表于机械工程权威期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids(JMPS)上。

具有多层分级马氏体板条结构的9-12%Cr耐热钢由于具有优良的高温强度及加工性能,在核电等先进电站的关键部件中得到了广泛的应用。轩福贞教授研究团队从2008年就开始针对多层分级板条马氏体结构的循环特性开展了一系列的研究工作(Mech. Mater. 2011; Int. J. Plast.2016; Int. J. Mech. Sci. 2017)。但由于板条组织的复杂性,对其在循环载荷下的变形及损伤行为的精确描述依然是目前亟待解决的难点之一。针对宏观唯相模型无法反映物理机制的变化带来的预测偏差,团队首先考虑了多层分级板条结构的组织特性,揭示了在应力疲劳中每个循环加载/卸载的末期会产生长程内应力的波动(图1),这是板条/亚晶界面的崩塌(dislocation avalanche)的驱动力。界面崩塌会产生一种新的自由位错增殖机制,从而引起自由位错的急剧增加,导致在应力循环中,除了经典的加工硬化阶段(B区),在每个加载/卸载阶段的末期(C区)会出现阶段性的类应变爆发(strain burst)现象(图2),这是应力循环加速损伤行为的主要物理来源。而在应变循环中,每个加载/卸载阶段依然符合经典的加工硬化行为。

 

图1 纳米板条结构造成的长程内应力波动


图2 应变和应力循环加工硬化过程中的位错演化示意图。

团队在连续位错模型的基础上成功引入了间歇性的类应变爆发过程,构建了新的循环塑性变形模型,并利用位错湮灭和位错锁(lock)形成机制来复现应变和应变疲劳不同的物理过程,从而可统一描述应变和应力循环下的宏观变形响应、内应力及微结构演化(图3)。构建的循环塑性变形物理模型不需要引入损伤耦合因子就可以科学描述循环过程中的加速变形行为(图4),并且模型的参数大都来源于初始组织及经典参量。另外,此理论及模型的应变爆发现象具有普适性,可应用于多种体系材料的循环塑性的描述。

图3 循环过程中的微结构演化模拟及验证。图中 Giroux (2011) 的数据针对于P92钢,说明了本模型对于多层分级板条结构的普遍适用性。
图4 应力循环宏观加速损伤的模拟及验证。本模型中虽然没有引入损伤耦合因子,但可模拟应力循环的全寿命过程。

论文的第一作者为赵鹏副教授,通讯作者为轩福贞教授,该研究工作得到了国家自然科学基金重点项目和面上项目的支持。

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