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Selyutina N S, Arutyunyan A R, Petrov Y V. Prediction of the stabilized plastic strain limit in steels under cyclic loading [J]. International Journal of Plasticity, 2026, 202: 104728.
Selyutina. "Prediction of the stabilized plastic strain limit in steels under cyclic loading." International Journal of Plasticity 202 (2026): 104728. (): .
Selyutina, Nina. (2026). Prediction of the stabilized plastic strain limit in steels under cyclic loading. International Journal of Plasticity, 202, 104728., .
背景简介
循环载荷下材料稳定化状态的预测一直是疲劳与断裂力学中备受瞩目的课题。该状态是循环适应模式的最终结果，体现了材料适应反复机械载荷的能力，从而避免过早发生疲劳失效。已有研究表明，建立能够预测循环适应机制的统一理论模型，仍然是现代固体力学中的一项重要挑战。这种适应行为主要表现为两种本质不同的形式：在超过静态屈服强度的高应力条件下，例如涡轮叶片等部件中塑性安定和棘轮行为占主导地位，其主要由位错的累积与重新分布驱动，并最终形成稳定的胞状位错结构；相比之下，在低于屈服强度的较低应力条件下，例如弹簧或轴类零件中，耗散型或弹性安定占主导地位；该过程涉及可逆位错运动、内部微应力降低、晶界摩擦以及热弹性阻尼等机制。因此，阐明这些机制之间的相互作用，以及材料性能和加载历史对其影响，仍然是当前研究的重点。
成果介绍
（1）通过不同应力幅下的循环试验发现，20钢的累积塑性应变并不是持续增加，而是在经历初期快速累积后逐渐趋于平台，说明材料在循环载荷下会进入稳定化状态；并且这种现象既可以出现在低于静态屈服强度的应力水平下，也可以出现在高于静态屈服强度的应力水平下。
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图1. 014号试样在425 MPa应力下的累积塑性应变随循环次数的变化，以及105号试样在475 MPa应力下的累积塑性应变随循环次数的变化；其中曲线1对应425 MPa，曲线2对应475 MPa
（2）针对传统塑性理论难以解释“材料先发生塑性变形、随后滞回环宽度减小并趋于类弹性响应”的问题，文章将结构–时间模型与塑性松弛模型结合起来，用材料不变量参数描述循环变形过程，从而建立了可以预测循环稳定化行为的本构模型，其表达式如下：
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图2给出了循环本构模型屈服强度的更新过程：在每一周循环加载中，材料先按照结构–时间塑性松弛模型发生加载变形，到达该周峰值应力后进入卸载阶段，卸载过程按线弹性处理；随后，模型将当前循环加载末端的峰值应力作为依据，重新计算下一循环的屈服强度。
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图2 屈服强度定义步骤
（3）如图3所示，通过将模型计算结果与实验结果进行对比，本文进一步定义相邻循环应变相对变化量 δ 作为稳定化判定指标，用于确定材料是否达到塑性变形稳定状态。结果表明，该模型虽然不能完全精确预测达到稳定所需的循环数，但能够较好预测稳定化后的最终塑性应变极限，因此可用于评估循环载荷下材料的极限变形状态，δ 定义如下：
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图3 不同加载幅值下，针对两个选定阈值 δ，实验测定的最终稳态变形与理论模型计算结果的比较
致谢
该研究得到了俄罗斯联邦科学与高等教育部的支持，项目编号为 124041500007-4。这项工作得到了俄罗斯科学基金会的支持，基金编号为 RSF grant 22-11-00091_P。本文第一作者：Nina Selyutina（Saint Petersburg State University），本文通讯作者：Nina Selyutina（Saint Petersburg State University）。
本期小编：华飞龙（整理）
周子尧 （校对）
舒 阳 （审核）
董乃健 （发布）
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