增材制造金屬超高周疲勞裂紋通常萌生于內(nèi)部缺陷，裂紋萌生階段通常占總壽命的95%以上。對于內(nèi)部裂紋尚無合適的原位觀測手段捕捉納米級的裂紋長度變化，同時由于缺陷尺寸與晶粒在同一數(shù)量級，材料的各向同性假設(shè)不再適用。在理論層面，現(xiàn)有循環(huán)內(nèi)聚區(qū)模型難以處理低于應(yīng)力強(qiáng)度因子閾值的損傷演化，同時塑性變形和損傷是歷史相關(guān)的內(nèi)變量，現(xiàn)有數(shù)值模擬方法無法處理超高周次的循環(huán)載荷數(shù)。

近日，中國科學(xué)院力學(xué)研究所研究人員建立了耦合的晶體塑性/循環(huán)內(nèi)聚區(qū)模型，引入單元通信機(jī)制，建立裂紋萌生演化準(zhǔn)則，提出適用于超高周疲勞載荷的加速算法，對增材制造鋁合金疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展過程進(jìn)行預(yù)測，并通過實驗驗證了該方法的有效性。該研究捕捉到了超高周疲勞早期的裂紋萌生/擴(kuò)展過程，揭示了增材制造鋁合金的VHCF裂紋萌生/擴(kuò)展機(jī)理，建立了1:1還原實驗的缺陷、晶?？棙?gòu)和載荷條件的有限元模型。同時，研究構(gòu)建了超高周疲勞裂紋萌生及擴(kuò)展的理論框架。首次將裂紋萌生過程中實體單元計算得到的晶體滑移內(nèi)變量作為損傷參量引入內(nèi)聚區(qū)模型，建立裂紋萌生和擴(kuò)展準(zhǔn)則，提出了基于向前歐拉法和頻率等效的加速算法，實現(xiàn)超高周疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的全過程模擬，很好地模擬了裂紋萌生早期缺陷附近最大激活滑移系的演化。該研究還驗證了模型在超高周疲勞載荷下的有效性。計算結(jié)果表明，由于裂紋表面的相互擠壓，裂紋面附近產(chǎn)生大量高局部累積塑性區(qū)，有力地支撐了大數(shù)往復(fù)擠壓模型（NCP）所預(yù)測的FGA細(xì)晶區(qū)形成機(jī)理，同時模型可以有效計算裂紋閉合效應(yīng)，預(yù)測的裂紋擴(kuò)展速率與實驗結(jié)果吻合很好。

相關(guān)研究成果近期以A framework to simulate the crack initiation and propagation in very-high-cycle fatigue of an additively manufactured AlSi10Mg alloy為題發(fā)表在《固體力學(xué)與物理雜志》（Journal of the Mechanics and Physics of Solids）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金的資助。

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