金属细观疲劳损伤的跨尺度实验表征与机理研究

Metal fatigue failure is a trans-scale damage evolution process involving multiple physical levels from micro- to macroscale. The introduction of multiscale method has effectively impelled the recent development of mechanism-based fatigue models. It has, however, some drawbacks such as the immaturity of the trans-scale correlation mechanics and the absence of effective trans-scale experimental characterization methods, restricting the advance of multiscale fatigue research. Based on the advanced digital image correlation method and in view of the heterogeneous deformation feature of metal fatigue on the mesoscale, this project attempts to establish an experimental characterization method across scales from subgrain to polycrystal through the coupling of full-field strain measurements and surface microstructures at various spatial scales. And this developed method is expected to be applied directly to the study of fatigue microcrack nucleation mechanism. The main research concerns the establishment of a trans-scale multiple physical coupling measurement method and a digital image correlation method considering the microstructure feature across scales. Based on the developed techniques, both theoretical and experimental research on the correlation mechanism between heterogeneous deformation pattern and microcrack nucleation are anticipated. This project will offer a mesoscale solution for the study of metal fatigue, which may contribute to improving the quantitative characterization precision of the current multiscale fatigue models. And it will also provide an effective experimental characterization method for the development of the trans-scale correlation mechanics, which could be hopefully applied to the fatigue design of engineering materials and structures.

金属疲劳失效是涉及宏细微多个物理层次的跨尺度损伤演化过程，多尺度方法的引入有力地推动了基于物理机制的疲劳模型的建立，然而目前仍存在跨尺度关联力学理论尚不完善，缺乏有效的跨尺度实验表征方法等不足，制约了多尺度疲劳研究的发展。本项目将基于先进的数字图像相关方法，针对金属疲劳在细观层次的非均匀变形特征，通过全场应变测量与表面微观结构在不同空间尺度的耦合，形成一套从亚晶到多晶的跨尺度实验表征方法，并将该方法直接用于疲劳微裂纹的形核机理研究中。主要研究一种多物理参量跨尺度耦合测量方法及建立考虑跨尺度微结构特征的数字图像相关方法，并在此基础上对非均匀变形模式与微裂纹形核之间的关联机制展开理论与实验研究。本项目的完成将为金属疲劳的研究提供一种在介观尺度上的解决思路，有助于改进现有多尺度疲劳模型的定量表征精度，同时将为跨尺度关联力学的发展提供一种有效的实验表征方法，有望用于工程材料与结构的疲劳设计中。

疲劳失效是影响机械装备与结构的使用安全性与经济性的重要因素，随着现代工业模式日益向着高速、高频、复杂工况和极端环境的方向发展，疲劳问题也变得越来越突出。材料与结构的疲劳失效是涉及宏细微多个物理层次的跨尺度损伤演化过程，多尺度方法的引入有力地推动了基于物理机制的疲劳模型的建立。然而目前仍存在跨尺度关联力学理论尚不完善、缺乏有效的跨尺度实验表征方法等不足。本项目针对上述关键技术难点，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。主要在建立多物理参量跨尺度耦合测量方法，考虑跨尺度微结构特征的数字图像相关方法，以及微尺度非均匀变形与材料疲劳损伤之间的关联机制三个方面取得了较好的进展。本项目基于先进的微观数字图像相关方法，通过全场应变与微观结构在不同尺度的耦合，建立了一套从亚晶到多晶的跨尺度实验表征方法，并将该方法用于研究应变局部化效应、非均匀变形模式与疲劳微裂纹形核之间的关联机制等关键科学问题。本项目研究成果经过进一步深化和拓展后，未来有望应用于工程材料与结构的多尺度疲劳分析中，为疲劳裂纹萌生与扩展的多尺度损伤机理研究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9篇，其中SCI收录7篇。以第一作者或通讯作者身份发表学术论文8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 = 3.673，4篇）、《Materials Science and Engineering: A》（金属材料领域重要期刊，IF = 4.081，2篇）、《Optics and Lasers in Engineering》（光测力学领域旗舰期刊，IF =4.059，1篇）等。此外，申请或授权国家发明专利6项，软件著作权3项。