管材快速裂纹扩展试验机

增材制造金属作为新一代“高设计自由度”材料，虽具有传统铸轧工艺无法比拟的优势，但其长期服役疲劳性能仍有不足。航空发动机、燃气轮机和高铁等关键零件，在服役过程中承受107~1010及以上的循环载荷，材料微结构敏感性显著增强，实验寿命分散性大，传统基于疲劳极限（107）的疲劳强度与寿命设计理论不再适用。因此研究增材制造金属材料的超高周疲劳（VHCF）失效机理，建立量化内部缺陷和微结构的超高周疲劳裂纹萌生/扩展理论框架具有重要的科学意义和工程应用价值。增材制造金属超高周疲劳裂纹通常萌生于内部缺陷，裂纹萌生阶段通常占总寿命的95%以上。对于内部裂纹尚无合适的原位观测手段捕捉纳米级的裂纹长度变化，同时由于缺陷尺寸与晶粒在同一数量级，材料的各向同性假设不再适用。在理论层面，现有循环内聚区模型难以处理低于应力强度因子阈值的损伤演化，同时塑性变形和损伤是历史相关的内变量，现有数值模拟方法无法处理超高周次的循环载荷数。本研究旨在发展考虑材料微结构的超高周裂纹萌生/扩展机理的力学模型及超高周次循环载荷下的数值加速等效方法。本研究建立了耦合的晶体塑性/循环内聚区模型，引入单元通信机制，建立裂纹萌生演化准则，提出适用于超高周疲劳载荷的加速算法，对增材制造铝合金疲劳裂纹萌生和扩展过程进行预测，并通过实验验证了该方法的有效性。主要成果如下：（1）捕捉到了超高周疲劳早期的裂纹萌生/扩展过程。揭示了增材制造铝合金的VHCF裂纹萌生/扩展机理，建立了1:1还原实验的缺陷、晶粒织构和载荷条件的有限元模型。图1 (a)早期裂纹捕捉，(b)由内部缺陷诱发的次生裂纹，(c)早期裂纹形貌，对应载荷循环数3.63×108，(d)有限元模型及边界条件，(e)内聚区单元网络，(f)缺陷附近的内聚区单元（2）构建了超高周疲劳裂纹萌生及扩展的理论框架。首次将裂纹萌生过程中实体单元计算得到的晶体滑移内变量作为损伤参量引入内聚区模型，建立裂纹萌生和扩展准则，提出了基于向前欧拉法和频率等效的加速算法，实现超高周疲劳裂纹萌生和扩展的全过程模拟，很好地模拟了裂纹萌生早期缺陷附近最大激活滑移系的演化。图2 裂纹萌生早期缺陷附近最大激活滑移系的演化(a) N=1×104, (b) N=5×105, (c) N=2.5×106, (d) N=4.5×106, (e) N=6.5×106, (f) N=8.5×106（3）验证了模型在超高周疲劳载荷下的有效性。计算结果表明由于裂纹表面的相互挤压，裂纹面附近产生大量高局部累积塑性区，有力地支撑了大数往复挤压模型（NCP）所预测的FGA细晶区形成机理。同时模型可以有效地计算裂纹闭合效应，预测的裂纹扩展速率与实验结果吻合很好。图3 模型验证：(a)KAM图, (b)计算结果, (c)裂纹扩展速率该研究成果近期以“A framework to simulate the crack initiation and propagation in very-high-cycle fatigue of an additively manufactured AlSi10Mg alloy”为题，发表在固体力学旗舰期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids 2023,175, 105293上(https://doi.org/10.1016/j.jmps.2023.105293)，论文作者为中国科学院力学研究所孙经雨、钱桂安、洪友士等人。该项研究工作得到了国家自然科学基金（12002185，12272377，12072345，11932020）的资助。

2015年2月，国内著名橡胶研究机构——北京化工大学材料学院弹性体先进材料研究中心，成功引进和使用法国Metravib公司的橡胶裂纹扩展专业测试设备DMA+1000。 基于DMA+NG系列宽力值、宽频率动态热机械分析仪(DMA)的测试平台,由国际轮胎生产巨头米其林公司和国际最大DMA专业制造商 - 法国Metravib公司共同研发的专门用于橡胶裂纹扩展测试的全新功能。配置了裂纹扩展单元的DMA不仅可以实现对材料粘弹性能、疲劳性能的评估，还可以评估橡胶材料在不同温度、不同加载模式、不同气氛等条件下的裂纹扩展行为。 本次合作为北京化工大学和仪尊科技的再次合作，化工大学的第一台Metravib公司的DMA已使用将近十年，深得专家和学者们的重视和好评。本次装机仪尊公司安排了法国Metravib公司的专家进行现场培训和指导，详细讲解设备使用方法和研究领域。 今后，仪尊公司将继续携最先进最优秀的技术和测试设备，给予用户们最好的体验，期待与您的合作！

一种能够适应大尺寸试样、甚至是原型试样的高温弯曲应力腐蚀试验机成功交付用户，这台弯曲应力腐蚀试验机可以进行大尺寸试样甚至原型试样的弯曲试验，同时，设备配套悬臂梁弯曲夏比试样的弯曲应力试验，悬臂梁弯曲夏比试样的弯曲加载采用砝码加载形式。大尺寸弯曲应力腐蚀试验机采用电子加载形式。配置合适的溶液池即可进行弯曲应力腐蚀试验。受客户要求，百若仪器开发出大尺寸弯曲应力腐蚀试验机，不仅可以进行轴向慢应变应力腐蚀试验，也可进行弯曲腐蚀试验，同时，可以进行悬臂梁夏比试样悬挂弯曲试验。弯曲应力腐蚀试验机也可根据客户的要求进行弯曲应力腐蚀疲劳的试验。YYF-100弯曲加载预裂纹应力腐蚀试验机主要研究在海洋腐蚀环境下的应力敏感性材料特性。专用慢应变速率应力腐蚀试验机，适用环境为微高温常压盐溶液。该设备特点在于除轴向拉伸功能外，增设一套机构用于实现对悬臂试样的弯曲加载，以及一套专用单元用于对夏比试样进行悬挂弯曲试验。该产品完全满足客户要求，得到客户的好评。背景资料：金属材料在拉应力及特定的腐蚀介质的作用下，经过一定的时期，将会产生裂纹及断裂的现象称为应力腐蚀开裂，并且，这种开裂经常以不可预测的低应力脆断出现在材料服役现场，造成事故的发生及材料的损耗，因此，一些科研机构及材料专家一直在致力于研究应力腐蚀开裂的课题，目前，主要以GB/T 15970.7-1995 金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验，GB/T 17898-1999不锈钢在沸腾氯化镁溶液中应力腐蚀试验方法，YB/T 5362-2006 不锈钢在沸腾氯化镁溶液中应力腐蚀试验方法等试验方法进行试验，这些试验方法中的试样以小试样作为研究对象，而大尺寸的往往以有限元分析进行模拟。在实际工作中，材料往往以大尺寸的面貌出现在服役现场，这样，试验所得的数据可能会出现一定的偏差，这些偏差可能会受到腐蚀温度、介质浓度等因素的影响，也可能受到晶粒组织的影响，这样，采用大尺寸试样弯曲应力腐蚀试验的必要性就显得尤为重要。