金属材料疲劳检测

仪器信息网讯 为提高广大试验机用户的应用水平，并促进用专家、用户、厂商之间的相互交流，2012年5月16日，在CISILE 2012召开期间，由中国仪器仪表行业协会试验机分会与仪器信息网主办、北京材料分析测试服务联盟与我要测网协办的“第一届中国试验机技术论坛”在中国国际展览中心综合楼二楼204会议室成功举办。 　　如下为中航工业航材院航空材料检测研究中心陶春虎主任所作报告的精彩内容： 中航工业航材院航空材料检测研究中心陶春虎主任 报告题目：金属材料的超高周疲劳及其实验研究 　　陶春虎教授首先在报告中介绍到，按疲劳强度设计的许多零部件在远小于疲劳极限107的应力下仍会发生疲劳破坏，这使得基于传统疲劳极限设计的零件，尤其是高速转动件很不安全，因此超高周疲劳损伤问题已经引起人们的广泛关注。工程上的疲劳分为低周疲劳、高周疲劳和超高周疲劳，而超高周疲劳则涉及失效特征、试验方法和试验设备、失效机理等方面。 　　随后，陶春虎教授对金属材料的超高周疲劳特征和疲劳失效机理进行了分析与总结，并指出，金属材料超高周疲劳失效基本特征是裂纹起源。一般情况下，传统高周疲劳的裂纹基本从表面萌生，除非试样亚表面存在较大的缺陷或试样表面经过了改性处理；而超周疲劳的裂纹则通常在试样亚表面萌生。其中，“鱼眼”特征的断口一般分为三个区域：光学黑区、平滑区域和粗糙区域。其中，光学黑区的形成相当于具备了试样表面能够形成累积疲劳损伤而发生常规疲劳损伤的条件。然后，陶春虎教授借用王仁智提出的理论和实验阐述了常规疲劳裂纹萌生与亚表面的过程，并分别就加载频率、加载方式和环境对金属材料超高周疲劳及试验机研究进行了详细介绍。 　　最后，陶春虎教授提出，超高周疲劳研究亟待解决的主要问题主要有：考虑到试验周期、实验频率的影响以及与实际 服役环境的一致性，应当研制具有1kHz-3kHz、能够实现弯曲加载的超高周疲劳试验机；整理和积累各种合金的疲劳实验数据，组建数据库，与传统高周疲劳实验数据进行对比分析，建立试验标准和适应于工程应用的数据处理和修正规范；明确裂纹萌生机理特别是超高疲劳过程裂纹由表面转入亚表面的转移和竞争机制，并尝试借助断口定量分析的手段裂纹早期扩展机制。 会议现场

USF-2000A采用压电元件产生的20kHz振动波形，经放大后加载到试样上，实现高速度的疲劳试验。能测试通常难度很大的109、1010次的疲劳强度，可在约10分钟内生成107次的数据[1]。近年来，超高周次承载部件越来越多，金属材料超高周疲劳测试需求与日俱增，超声疲劳方法是完成超高周疲劳的有效手段之一。相比高周疲劳，超声疲劳由于试验频率大幅提高，试样尺寸设计、应力控制等都和高周疲劳不同，已不适宜采用高周疲劳试验标准。4月25日，由TC183（全国钢标准化技术委员会）归口，TC183SC4（全国钢标准化技术委员会力学及工艺性能试验方法分会）执行 ，中国钢铁工业协会主管的国家标准《金属材料 超高周疲劳 超声疲劳试验方法》正式发布，并将于2024年11月1日施行。背景通常认定如果循环次数大于107，样品就不会断裂，所以所有的工业品必须在这个疲劳极限以下进行设计，尽管如此，事故仍可能发生。随着工业技术的发展，许多金属零件的设计疲劳寿命逐渐增加，金属材料的高周疲劳行为已成为一项研究重点。金属疲劳是指机器、车辆或结构件的金属零件因反复施加应力或载荷而引起的弱化状态最终导致断裂的现象。因此，为了确保机器、车辆等的质量，需要对其零件进行疲劳检测。超声波疲劳试验是一种共振式的疲劳试验方法，通过压电原件产生20kHz振动波形，经放大后加载到样品上，实现高速度的疲劳试验，可快速地检测各种工业材料的疲劳极限。标准解读01原理超声疲劳试验采用超声发生器产生20kHz 的电信号，压电陶瓷换能器将电信号转换成相同频率的机械振动，经位移放大器放大后传递至试样，在试样中产生谐振波，使试样获得频率约为20kHz按正弦波变化的轴向位移和应力。02试样超声疲劳试验常用的试样类型有漏斗形、等截面圆形和板状。设计超声疲劳试样尺寸时，尺寸组合应满足试验系统谐振频率为20kHz的谐振条件，否则试样将不能起振，试验无法进行。设计试样尺寸之前应先根据GB/T 38897确定材料的动态弹性模量，再根据材料的密度和不同形状试样的几何尺寸理论公式计算满足试验谐振频率的端部长度值。岛津方案岛津超声波试验系统可参照GB/T 43896-2024《金属材料 超高周疲劳 超声疲劳试验方法》的测试方法对样品进行测试。USF-2000A超声波疲劳试验机01试验原理USF-2000A疲劳试验机的加载原理同普通的疲劳有很大的不同，它是由压电元件产生20 kHz的振动，将振动通过谐振腔放大再传导至加工成特定尺寸形状的试样，试样产生共振形成稳定的驻波，不断地收缩和伸长由此进行20kHz的疲劳试验。02主要特点☆ 在共振状态下进行试验，可产生高应力，能够进行1000 MPa级的钢材试验☆ 采用计算机设定和控制试验，可在桌面上进行试验☆ 试验设备的功耗小☆ 可简单地再现微小缺陷而产生的疲劳破坏☆ 能以20kHz的重复频率快速评价金属材料的疲劳寿命，一般100Hz频率下测试1010次循环试验需要3.2年，使用本机进行试验只需要6天。03应用案例仅需输入材料的模量、密度等信息，软件即可根据设置，自动生成技术图纸，开始试验。在达到规定循环次数或超过试验频率波动范围时，试验自动结束。同时，可在软件中选择指定振荡和停止时间（脉冲-暂停）比。空气冷却系统提供支持，有效避免样品过热。04定制化产品在平均应力为零的条件下很少使用实际组件。尽管如此，USF-2000A是一种标准超高循环疲劳试验系统，只能在零平均应力条件下实施试验。使用配有平均应力负载系统的超高循环疲劳试验系统，可在平均拉伸应力负载情况下实施千兆周期疲劳试验。近年来，超高周次承载部件越来越多，金属材料超高周疲劳测试需求与日俱增，超声疲劳方法是完成超高周疲劳的有效手段之一。USF-2000A提供金属和其他材料的负载容量信息以及确定度，可在6天内完成试验[1]而无需1年或更久。应用20 kHz周期频率，相比300Hz，完成1010次循环试验的速度可提高60多倍。特别是在汽车、航空航天和铁路应用领域，材料可靠性必须具备可预测性，岛津试验机可以为消费者提供更优质量和更高安全性，并为制造商提供安心保障。注[1] 实验数据可能随条件不同而变化本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。

拉伸性能与疲劳性能是金属材料工程应用的关键指标，建立二者之间定量关系，实现金属材料不同力学性能之间关系的定量预测是金属结构材料领域重要研究目标之一。由于目前相关理论不够完善，基于微观变形与损伤机制的拉伸性能与疲劳性能定量预测模型并未建立起来。因此，虽有大量实验数据表明金属材料拉伸强度与塑性之间存在明确的倒置关系，拉伸强度与疲劳强度之间存在特定的关系，但至今仍缺乏定量模型来描述上述定量关系。因此，建立金属材料拉伸性能与疲劳性能定量预测具有重要科学意义。金属研究所张哲峰团队长期坚持材料疲劳与断裂基础理论研究，团队成员张振军项目研究员前期在缺陷与金属材料加工硬化关系方面进行了系统性研究，包括四类典型缺陷：1）零维缺陷：发现过饱和空位可提升合金的加工硬化能力；2）一维缺陷：在位错主导塑性形变的合金中实现了加工硬化能力回升；3）二维缺陷：在FeMnCAl系TWIP钢中实现随孪晶密度增加应变速率敏感性由负到正的转变；4）三维缺陷：在TWIP钢等强加工硬化材料中建立了微孔致颈缩判据。近来，在加工硬化微观机制研究基础上，张振军项目研究员提出了新的位错湮灭模型，并通过考虑初始组织状态与合金成分对加工硬化的影响，建立了单相金属材料普适性硬化模型-指数硬化（ESH：Exponential Strain-Hardening）模型，并据此首次推导出单相金属材料拉伸应力(σ)-应变(ε)定量关系：其中硬化指数n为位错湮灭距离(ye)的表达式反映合金成分的影响。η为初始缺陷对屈服强度(σy)非位错性贡献的比例，反映微观组织的影响；ΘⅡ为第二阶段硬化率，对同一金属合金体系为常数。该ESH模型得到了6种合金成分、100余种不同微观组织状态单相铜铝合金的实验验证，如图1所示。该ESH模型阐明了单相金属材料形变过程中一些重要规律：1）用一个参数(n)统一了五阶段加工硬化规律；2）揭示了极限强度、临界强度、真抗拉强度与成分及变形机制之间关系；3）首次推导出"屈服强度-抗拉强度-均匀延伸率"之间定量关系（公式(2-4)，图2a-2c）；4）定量揭示了拉伸强度-塑性同步提升的两个基本原则，即成分优化（提升位错滑移平面性）与组织优化（降低初始高能缺陷），在铜合金、镍基合金、TWIP钢、高氮钢、316L不锈钢等单相合金中均得到了系统性实验验证；5）实现了单相铜铝合金拉伸强度、塑性及拉伸应力-应变曲线的定量预测，如图2d-2f所示：　上述研究成果最近以2篇论文连载方式发表在Acta Mater 231 (2022) 117866和231 (2022) 117877上。基于该ESH模型，博士生曲展在张振军项目研究员的指导下，进一步揭示了三类变形铝合金（2xxx、6xxx、7xxx）拉伸强度和塑性随时效时间变化的共性转变规律与机制，建立了三类铝合金加工硬化指数与时效过程中析出相性质及几何特征之间的定量关系，提出了变形铝合金时效过程对加工硬化能力提升的析出相控制原理（J Mater Sci Technol 122 (2022) 54-67）。为了建立金属结构材料拉伸性能与疲劳性能之间定量关系，该团队成员刘睿博士在对铜铝单相合金拉伸性能与高周疲劳强度系统性研究的基础上，从疲劳损伤过程弹性变形与应变局部化两方面入手，通过引入合金成分、微观组织与宏观缺陷参数，建立了金属结构材料高周疲劳强度预测模型：其中参数C代表合金成分（或弹性模量）对疲劳强度的影响，强度σy和σb为微观组织对疲劳强度的影响，参数ω反映了宏观缺陷对疲劳强度的影响，如图3(a)所示；该高周疲劳强度预测模型得到了钢铁材料、铝合金、铜合金、钛合金、镁合金等20余种典型工程结构材料系统性疲劳实验验证，如图3(b)所示。该研究成果也以2篇论文连载方式发表在J Mater Sci Technol 70 (2021) 233-249和70 (2021) 250-267上。在疲劳裂纹扩展预测模型方面，最近李鹤飞博士在团队成员张鹏研究员的指导下，针对高强钢强度-韧性匹配关系，通过断裂力学理论分析，建立了以静态力学性能预测其疲劳裂纹扩展速率模型：其中σb为拉伸强度，KIC为断裂韧性，E为弹性模量，R为应力比，α为扩展速率常数。同时，为了指导关键构件材料强度-韧性优化提高疲劳裂纹扩展阻力，建立了高强度金属材料等效疲劳裂纹扩展速率模型（如图4(a)所示）。通过选择高强度金属材料强度-韧性之间匹配关系，可快速预测和降低其疲劳裂纹扩展寿命（如图4(b)所示），进而可以指导关键构件材料抗疲劳损伤容限设计。上述关于疲劳裂纹扩展速率预测模型在多种高强铝合金、钛合金及高强钢材料中得到了验证。该研究成果发表在J Mater Sci Technol 100 (2022) 46-50上。将上述金属材料拉伸性能和疲劳性能定量预测模型联合起来，可以实现通过测试金属结构材料少数组织状态的拉伸性能快速预测和优化其疲劳性能的功能，为金属结构材料疲劳性能预测与优化软件研发奠定理论基础，也为金属结构材料及工程构件抗疲劳设计与制造提供理论支撑。上述研究工作得到了国家自然科学基金重大项目（51790482）、重点项目（51331007、52130002）、面上项目（51771208、51871223）项目、中国科学院王宽诚率先人才计划"卢嘉锡国际合作团队"（GJTD-2020-09）、"青年促进会"项目（2018182、2021192）及辽宁省"兴辽计划"创新团队项目（XLYC1808027）的资助。相关成果列表及链接：1. Zhang ZJ*, Qu Z, Xu L, Liu R, Zhang P, Zhang ZF*, Langdon TG. A general physics-based hardening law for single phase metals. Acta Mater 231 (2022) 117877https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645422002531#sec00202. Zhang ZJ*, Qu Z, Xu L, Liu R, Zhang P, Zhang ZF*, Langdon TG. Relationship between strength and uniform elongation of metals based on an exponential hardening law. Acta Mater 231 (2022) 117866.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135964542200252X3. Qu Z, Zhang ZJ*, Yan JX, Gong BS, Lu SL, Zhang ZF*, Langdon TG. Examining the effect of the aging state on strength and plasticity of wrought aluminum alloys. J Mater Sci Technol 122 (2022) 54-67.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030222001967?via%3Dihub4. Liu R, Zhang P*, Zhang ZJ, Wang B, Zhang ZF*. A practical model for efficient anti-fatigue design and selection of metallic materials: I. Model building and fatigue strength prediction. J Mater Sci Technol 70 (2021) 233-249.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030220307441?via%3Dihub5. Liu R, Zhang P*, Zhang ZJ, Wang B, Zhang ZF*. A practical model for efficient anti-fatigue design and selection of metallic materials: II. Parameter analysis and fatigue strength improvement. J Mater Sci Technol 70 (2021) 250-267.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S100503022030743X?via%3Dihub6. Li HF, Zhang P*, Wang B, Zhang ZF*. Predictive fatigue crack growth law of high-strength steels. J Mater Sci Technol 100 (2022) 46-50.https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1005030221005053?via%3Dihub7. 张振军、张哲峰、张鹏、王强；一种金属材料拉伸性能的预测方法, 2021-7-6, ZL201711234799.0，发明。已授权8. 张哲峰、刘睿、张鹏、张振军、田艳中、王斌、庞建超；一种金属材料疲劳强度的预测方法，2021-8-10，ZL201711235841.0，发明。已授权9. 张鹏、李鹤飞、段启强、张哲峰；一种预测高强钢疲劳裂纹扩展性能的方法，2021-3-26，ZL201910030260.6，发明。已授权图1 ESH模型的建立与实验验证：(a-b) 模型推导过程；(c-d) 强度与塑性验证图2 ESH模型的应用：(a)建立"屈服强度-抗拉强度-均匀延伸率"之间定量关系；(b)实现拉伸性能及拉伸应力-应变曲线定量预测图3 高周疲劳强度预测模型的建立与验证：(a) 模型建立过程；(b,c) 系统性实验验证图4 (a)等疲劳裂纹扩展速率模型图 (b)工程材料强度-韧性与疲劳裂纹扩展速率关系