基于深度敏感压痕技术的金属疲劳早期损伤检测方法与剩余寿命建模研究

应用深度敏感压痕（DSI）技术研究典型疲劳加载条件下金属试件表面局部微区材料强度性质（硬度）、刚度性质（弹性模量）、塑性性质（残余压入深度）和韧性性质（压入塑性功）等在空间分布和时间序列上的统计变化特征，以及表面力学性能劣化与萌生宏观裂纹（0.3-0.5mm）之间的统计相关性。根据疲劳损伤过程中试件表面微区力学性能劣化与显微结构变化，研究具有明确物理意义、且对疲劳早期损伤演化敏感的可测力学性质，并在不可逆过程热力学框架内研究疲劳损伤的表征参量与检测技术。采用基于细观的唯象损伤理论，并结合概率统计方法，从试件表面微区材料力学性能劣化、疲劳损伤演化与剩余寿命降低三者之间的统计关联出发，研究宏观裂纹萌生阶段的剩余寿命预测模型。本项目的研究工作将开拓深度敏感压痕技术在金属疲劳早期损伤检测中的应用，并为宏观裂纹萌生阶段的剩余寿命预测建模探索新的途径。因此，具有重要的理论和工程实际意义。

在役重要设备的剩余寿命评估对于确保设备的安全可靠运行、预防重大事故以及在保证设备安全性前提下充分延长其使役寿命等均具有重要的意义。本项目主要针对当前我国急需开展对在役重要设备进行安全性与剩余寿命评估这一重大工程需求，以及现阶段国内外尚缺乏有效的疲劳早期损伤检测技术和剩余寿命预测方法这一实际问题，通过应用新的研究手段—“深度敏感压痕技术”，从交变使役条件下金属材料表面力学性质劣化、疲劳损伤发展和剩余寿命降低三者之间的统计相互关联出发来研究金属构件的疲劳早期损伤检测技术与剩余寿命预测新方法。. 针对深度敏感压痕技术能够测试多种力学性质且具有无损检测和方便工程应用这一特点，本项目应用该先进力学测试方法系统研究了典型疲劳加载条件下常用金属材料（304不锈钢、GH4145/SQ镍基合金、45#结构钢等）的表面力学性质（包括与强度、钢度、塑性和轫性等相关的压痕特征参量）的统计分布特征及其随疲劳损伤的变化规律。采用显微分析术（包括光学显微镜OM、透射电镜TEM等）研究了疲劳损伤过程中材料近表面微观组织结构（滑移带、位错结构）的演变特征及其与疲劳裂纹萌生之间的相互关联，并初步建立起材料力学性质劣化与微细观组织结构演变之间的关系。根据疲劳损伤能量耗散的物理机制，以及循环载荷作用下材料力学性质（主要是压痕塑性功）对疲劳损伤演化过程敏感这一实验规律，本项目运用统计细观损伤力学的思想方法，进一步研究建立起以压痕塑性功为基本参量的疲劳损伤表征与检测技术，并从材料细观结构力学性质劣化、疲劳损伤发展和剩余寿命降低三者之间统计关联出发初步建立起预测宏观裂纹形成前金属构件剩余寿命的模型。. 本项目的研究工作开拓了深度敏感压痕技术在疲劳早期损伤检测中的应用，并为发展基于压痕技术的宏观裂纹萌生阶段疲劳剩余寿命预测方法探索了一条新的研究途径，和进一步的实验和理论研究基础。