金属材料的服役损伤或裂纹扩展可以发生在外力的卸载阶段


近期,北京科技大学的解清阁副研究员、王沿东教授、杨平教授和芬兰阿尔托大学的连军贺助理教授,联合匈牙利的Jurij Sidor教授、重庆大学的孙丰伟副教授、广东新材料研究所的闫星辰博士、上海大学的陈超越副教授及美国橡树岭国家实验室的安科研究员等人,就AA6061铝合金的大变形损伤机理进行了系统研究,其相关结果已在金属材料领域顶级SCI期刊Acta Materialia上发表(全文50天免费链接)。

Crystallographic orientation and spatially resolved damage in a dispersion-hardened Al alloy (https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.03.049)该文为研究金属大变形塑性损伤提供了新的方法和思路

wellbet吉祥官方网站研究人员发现AA6061铝合金在经历两阶段拉伸(Tension1, Tension2),以及随后分别进行的疲劳加载(cyclic test 1, cyclic test 2)过程中出现了材料后期瞬间失效的现象。然而,该失效行为通过宏观应力-应变曲线无法预警,如图1所示。

1 研究材料的宏观力学加载曲线,图b的紫色线表示材料瞬间失效

对于该力学损伤和失效行为,研究人员使用原位中子衍射等先进材料手段进行了系统表征后发现,材料在第二次拉伸后的疲劳加载过程中,其承载能力在疲劳的拉伸卸载阶段出现迅速降低,如图2所示。我们知道:材料承载和其在外力下的弹性点阵应变成正比。而在第二阶段疲劳加载(cyclic test 2)过程中的拉伸卸载阶段,可以明显观测到其弹性点阵应变出现迅速降低的现象,其表明材料的微观损伤(微裂纹)在拉伸卸载阶段得到迅速扩展,进而导致其承载能力出现迅速降低趋势:材料的承载能力降低速度在拉伸卸载时可快于外力卸载速度,进而促进损伤扩展。

2 材料的弹性点阵应变在两阶段疲劳载荷的表现

wellbet吉祥官方网站在对上述加载及失效行为进行系统性分析后,研究人员得出以下四个关键结论:

材料内部的微孔洞(损伤)分布和失效后的残余点阵应变分布存在内在联系。如图3所示,把失效后的微孔洞分布和残余点阵应变分布分别在极图上表达后发现,其两者分布呈高度相似现象。

3 材料失效后的残余点阵应变分布和微孔洞分布的关联性

上述残余点阵应变的分布主要是由于大变形导致的滑移带内残余点阵切应变造成的。如图4所示,通过EBSD表征可发现,失效后的材料内部存在大量滑移带形貌。由于大变形对应的{111}滑移面上的剪切变形,失效后在滑移面上必然残留切应变。这样一来,{111}滑移带上的残余点阵切应变可使得{002}面对应残余点阵拉应变,而{110}和{420}面对应残余点阵压应变,这一现象与实验测量结果图3相吻合。

4失效后EBSD表征的滑移带形貌以及滑移带上残余点阵切应变和测量的点阵应变关联机理

实验观察到的滑移带形貌是由于材料内部的硬质颗粒导致的wellbet吉祥官方网站。硬质颗粒会给材料的均匀变形产生扰动,从而促进不均匀变形,进而导致EBSD滑移带形貌(带状组织)。图5为课题组通过考虑和不考虑硬颗粒计算得到的EBSD微观组织形貌,上述两个计算的微观组织形貌演变见动画1和动画2。

5 计算得到的没有硬颗粒和有硬颗粒对应的形变EBSD微观组织

晶粒尺度上,材料的损伤和晶粒的泰勒因子成正比。详细分析和讨论见文章全文。

在研成果预告

该文章的第一作者解清阁博士和广东省新材料研究所闫星辰博士,联合爱尔兰科学家目前正在对典型增材制造工艺(选区激光熔化、冷喷涂增材制造等)对应的微观组织力学性能wellbet吉祥官方网站关联机理开展计算和实验研究。图6为课题组的初步结果。感兴趣的读者可关注相关人员近期的论文和软件著作权进展。

6 课题组开发的选区激光熔化微观组织预测结果和实验微观组织对比

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