基于黏塑性滑移机制的金属低循环寿命细观力学模型

This project will carry out the investigations on the meso-model for low-cycle fatigue life in which the visco-plasticity arising from crystal slipping and the dwell-fatigue are taken into account...(1) Develop the statistical representative volume element (SRVE) to reflect the microstructural informations of a target metal and its mechanical behavior modeled using crystal plasticity constitutive relations...(2) Establish a meso-mechanical constitutive model with respect to the crystalline visco-plastic slipping for metals, which takes into account the material microstructures and the law of path-dependent deformation, thus more consistent with the mechanism of metallic cycle plasticity...(3) Investigate the evolutions of principal values and directions of stress and strain, the crystal grain distortion and rotation at the micro-level, and the evolution law from the statistical analysis on the micro-inhomogeneous. These investigations are performedon the basis of: performing a series of low cycle fatigue experiments under the uniaxial tension-compression and the torsion loading with sustained (dwell) time and isothermal environment, and further carrying out the corresponding meso simulation of the SRVE under cyclic loading of tension-compression/shear...(4) Develop a meso-model for low-cycle fatigue life prediction, which takes into account the visco-plasticity arising from crystal slipping and the sustained loading time. This new meso-model will have the ability for predicting the law for low cycle fatigue life through meso numerical simulation of the cycle process using a SRVE, and the life prediction can be achieved without need for the Manson-Coffin's equation.

本项目开展细观尺度的、考虑材料黏塑性性质的金属低循环寿命描述和预测模型研究：（1）建立反映材料微结构信息的统计代表性体积单元（SRVE）为材料分析对象；（2）建立更符合金属循环塑性变形机制、反映材料细观结构和路径相关变形规律的晶体黏塑性滑移模型，将其用于金属材料循环塑性变形细观尺度的数值模拟；（3）进行等温环境下带有保载过程的系列联合轴向拉压/扭转低循环试验，在此基础上对金属的SRVE进行细观联合拉压/剪切低循环疲劳并行数值模拟，研究细观尺度材料的塑性应变和应力的主值和主轴方向变化及晶粒畸变和转动、及其统计不均匀性随循环变化的规律；（4）在细观研究的基础上探寻和建立考虑金属黏塑性性质、能合理描述金属细观尺度低周疲劳规律的寿命模型。该模型不依赖现有实验总结的疲劳寿命公式，直接利用统计代表性体积单元进行反映材料微结构信息演化的大规模细观低循环疲劳数值模拟，预报金属材料的低循环疲劳寿命规律

为解决各种工程和机械的安全服役问题，人们研究往复应力或应变下的金属疲劳已170余年。除靠大量实验总结得到并一直在用的一些关于疲劳强度和寿命的经验法则和公式，仍还未得到较合理、基于疲劳产生机制的分析模型。虽早就了解复杂随机生成结构导致材料变形不均匀，但对往复载荷对不均匀变形和疲劳失效两者的影响，很少有系统研究。深层次问题有待解决，如随载荷循环应变分布怎样演化？应变分散程度是否随循环增加？能否找到合适参数来描述应变不均匀性随循环的变化？它们是否与疲劳破坏有关联？ .本项研究关注随机取向、力学行为各向异性的晶粒聚合而成的多晶非均质金属的不均匀变形，力图找到评估材料疲劳的全新方法：它能通过分析多晶金属宏观均匀往复变形下晶粒尺度变形的不均匀性来预测材料的疲劳失效。历经4年研究，提出了晶粒尺度的预测低周疲劳寿命的方法，包含反映金属细观非线性运动硬化、能描述晶体滑移和Bauschinger效应的黏塑性模型，并用Voronoi多晶聚合体作为材料模型模拟循环过程。用该方法，多晶聚合体塑性变形的不均匀演化能很好表征，能对材料中不均匀离散的应变进行统计分析，从而在此基础上预测金属疲劳寿命。.完成了大量实验：用纯铜（T2）、不锈钢（310s）和镍基高温合金（GH4169）来研究低周疲劳机制并检验建议的方法，同时纯铜（T2）和镁合金（AZ31）也被用来研究材料后继屈服面演化和循环黏塑性。.最重要的结果有：.(1).加载轴向应变统计标准差可描述变形不均匀性，其变化规律与细观第一主应变和最大主剪切应变相似。.(2).第一主应变和最大主剪切应变的均值随循环增加，且在大部分过程中近似线性变化。.(3).加载轴向应变统计标准差、第一主应变和最大主剪切应变的均值可用作疲劳指示参数，其临界值可用作材料疲劳判据。.(4).本方法可先于实测得到应变幅~疲劳寿命曲线族，只需用一个应变幅的疲劳试验确定疲劳判据临界值，就能预测其它不同应变幅循环下的疲劳寿命。.(5).该方法可导出评估变应变幅循环实验疲劳寿命的Miner法则。