基于细观塑性不均匀变形分析的金属疲劳寿命预测方法

This project will carry out an investigation on fatigue life prediction methodology for metallic materials on the basis of statistical analysis of metallic meso-inhomogeneous deformation and the inhomogeneity evolution with the loading cycles. The main works are: (1) The research on the inhomogeneity of metallic deformation and its development and evolution during cyclic loading at meso level with the cycles growing, and the methodology to seek the statistical law of meso-inhomogeneous deformation evolution through experiments, grain level numerical simulation and statistics analysis. (2) The research on the parameter to character the non-uniformity of metallic deformation at grain level under fatigue cycle, and the relationship between the parameter with the metallic fatigue failure and the summarized metal fatigue life law and prediction method. The pathway and objective of the project are: (1) The heterogeneity and anisotropy of material micro-structure and the slipping mechanism of material deformation at grain level are taken into account, and the crystal plasticity theory, in which the cyclic characteristic of material is considered, associated with the statistical representative volume element (SRVE) are applied to describe the micro inhomogeneity of plastic deformation of polycrystalline metals. (2) On the basis of (1), in accordance with the material cyclic characteristic test, the evolution of meso-inhomogeneity of material deformation under fatigue cycles are modeled and described by numerical simulation and statistical analysis. (3) Propose a new metal fatigue life prediction method, using this method a curve family to featuring the law of material fatigue life can be attained through numerical simulation, in accordance with the material cyclic characteristic tests, and statistical analysis prior to the material fatigue experiments. (4) The new method should be suitable for the fatigue life analysis to tension-compression and shear cycles.

建立基于金属塑性细观变形不均匀性及其演化分析的金属疲劳寿命评估的方法：（1）通过研究循环过程中金属的细观变形不均匀性及其随循环的发展和演化，探讨结合实验、细观数值模拟和统计分析获得不均匀性演化统计规律的方法。（2）研究循环过程中金属的细观塑性变形不均匀性的表征参数及其与金属疲劳破坏的联系，寻求描述疲劳寿命规律的新方法。路径与目标：（1）针对材料细观结构不均匀性和金属晶粒尺度细观变形的滑移机制，利用考虑循环塑性的晶体塑性理论结合统计代表性单元模型描述材料的细观变形不均匀性。（2）在（1）的基础上，以宏观循环特性试验为依据，用数值方法模拟循环变形过程的材料细观变形的不均匀演化，并用统计模型来描述这种演化。（3）建立新的金属疲劳寿命预测方法。该方法利用循环特性试验，能先于材料的疲劳寿命试验通过数值模拟和统计分析计算得到材料的疲劳寿命曲线族。（4）新方法同时适用于拉压型和剪切型的循环疲劳分析。

从新的角度阐述了金属低周疲劳机制，并提出了预测疲劳寿命的新方法。.1）探寻和建立统计意义下材料不均匀性的度量方法和相应的参数表达。考虑金属多晶结构特点，利用与材料宏观行为和细观变形相联系的多晶代表性单元，反映因材料中晶粒形状和取向的随机生成造成的材料不均匀性。对金属细观变形不均匀性的度量，以多晶代表性单元为材料模型，提出了4个指标参数：（1）沿宏观主方向细观正应变的统计标准差；（2）细观第一主应变的统计均值；（3）沿宏观主方向细观正应变的连续信息熵；（4）细观第一主应变的连续信息熵。通过大量实验和模拟分析，证实了以上4个参数来度量材料细观尺度的变形不均匀性及其发展，所得结果是相近的，而且它们都存在临界值。.2）在反映金属微结构特点的Voronoi多晶集合体基础上建立材料模型，用反映金属细观变形机制同时考虑Bauschinger效应的晶体塑性模型描述材料的本构关系。以常规循环试验获得材料循环塑性数据为依据，材料的晶体塑性模型参数采用与材料宏观行为和细观变形相联系的多晶代表性单元数值模拟来确定。该方法同时适用于拉压型和剪切型循环疲劳分析。.3）建立和发展通过循环塑性（特性）试验、循环过程材料不均匀演化分析和统计分析来进行材料疲劳寿命评估的方法。现有疲劳理论认为金属疲劳寿命规律是不可预测的材料固有特性，必须经过系列试验测定。而本项研究揭示了：导致疲劳断裂是材料的不均匀性及其在循环过程中的演化达到了其极限。用前面提到的4种疲劳表征参数与多晶代表性单元的晶体塑性循环模拟相结合，就可对循环加载下多晶金属微结构不均匀变化进行分析。新方法与传统方法截然不同，它可先于材料疲劳试验通过数值模拟来预测材料疲劳寿命规律。.4）用纯铜（T2）、钢材（Q235、HRB335、HRB400、310s、45CrNiMoVA）和镍基高温合金（GH4169）等材料，完成了超过800个试样的单调和循环试验和大量的数值模拟分析。通过这些试验和数值模拟检验了建议模型和方法的合理性和有效性。.