表面纳米化金属材料的疲劳微裂纹扩展门槛值影响机理及预测方法研究

The fatigue failure in surface nanocrystallization of metallic material is a complex damage evolution process involving influential parameters, such as material microstructures and mechanical properties. It has already been demonstrated that nanocrystal in surface can contribute to suppressing fatigue crack initiation thereby improving fatigue life. Nevertheless, the current study on the fatigue small crack threshold mechanism in surface nanocrystallization of metals is scarce, which hinders the further development of surface nanocrystallization fatigue research to some extent. From the viewpoint of the material microstructure and mechanical properties, this project attempts to systematically explore the fatigue small crack threshold mechanism in metals influenced by the surface nanocrystallization. Firstly, based on the characteristics of surface small crack propagation, we try to investigate the correlative mechanism between small crack length and small crack threshold so that the large scale yielding condition in metals of surface nanocrystallization can be redefined. Secondly, the influence of several important factors such as grain size in surface, nanolayer thickness and residual stress distribution, on small crack propagation resistance will be analyzed. Lastly, one new prediction method for fatigue small crack threshold of surface nanocrystallization metals is attempted to propose based on above mechanism analysis. This project will be beneficial to further understanding for fatigue mechanism of surface nanocrystallization metals. Meanwhile, one kinds of design reference in practical engineering for anti-fatigue design of surface nanocrystallization metals will be provided.

表面纳米化金属材料的疲劳失效是涉及材料微观结构、力学性能等多重因素的损伤演化过程。大量研究表明，表面晶粒的纳米化往往能抑制裂纹萌生从而较大程度地提高疲劳寿命。然而，目前针对表面纳米化材料的表面疲劳微裂纹扩展门槛值的影响机理研究还较为缺乏，一定程度上制约了材料表面纳米化疲劳研究的发展。本项目将从微观组织结构及其力学性能的角度深入地探索不同表面纳米化程度对表面疲劳微裂纹扩展门槛值的作用机制。首先，基于表面微裂纹的扩展传播特性研究微裂纹尺寸与扩展门槛值之间的关联机制，从而确定适用于表面纳米化材料的微裂纹大范围屈服条件；其次，从细观尺度分析表面晶粒尺寸、纳米层厚度和残余应力分布等关键参数对抗疲劳微裂纹扩展性能的影响机理；最后，基于上述微观机理分析提出一种适用于表面纳米化材料疲劳微裂纹扩展门槛值的预测方法。本项目的完成将有助于深化金属材料表面纳米化的抗疲劳机理研究，同时为其抗疲劳设计提供设计参考。

疲劳失效问题是材料、工程结构设计等领域的研究热点和难点，材料与结构件的疲劳强度亦是工程设计中的重要指标，是关系到结构安全性与经济性的重要因素。由于疲劳裂纹往往萌生于材料或结构表面，以表面纳米化为代表的表面强化技术可通过提高材料表面强度，抑制或延缓疲劳裂纹萌生从而达到提高疲劳总寿命的目的。然而，目前表面强化技术的研究主要关注于强化表面对疲劳强度的提升能力，但并未过多考虑由于外界因素(如：外物撞击等)在强化表面所形成的表面微裂纹/微小缺陷对疲劳强度的作用与影响。本项目针对上述关键问题，紧密围绕项目预定研究内容和目标，按照时间表有计划、有系统地展开研究，较好地完成了各阶段各项预定研究内容和指标，并在若干方面进行了拓展性研究与科学探索。主要在微裂纹尺寸与表面纳米化材料疲劳微裂纹扩展门槛值之间的关联机制，微观组织结构与力学性能对抗疲劳微裂纹扩展性能的作用机理及表面纳米化金属材料疲劳微裂纹扩展门槛值预测方法三个方面取得了较好的进展。本项目基于先进的实验表征技术与数值计算方法深刻探究了表面微裂纹尺寸、纳米层厚度以及残余应力分布等对疲劳微裂纹扩展性能的影响机理等关键科学问题。本项目研究成果经过进一步深化和拓展后，未来有望应用于表面强化材料与结构的剩余疲劳强度预测中，为实际工程结构的服役能力评估提供强有力的理论基础与技术支持。.项目执行期间，共发表学术论文6篇，其中SCI收录6篇。以第一作者或通讯作者身份发表学术论文5篇。论文发表在本领域的一系列重要学术刊物上，如《International Journal of Fatigue》（国际疲劳领域顶级期刊，IF = 5.186，3篇，中科院一区）、《Materials Science and Engineering: A》（金属材料领域重要期刊，IF = 5.234，2篇，中科院一区）、《Composites Part B: Engineering》（复合材料领域顶级期刊，IF =9.078，1篇, 中科院一区）等。