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科研进展
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基于物理机制的多层分级板条马氏体钢在不同载荷模式下的循环塑性模型
发表时间:2018-11-30 阅读次数:1058次

        疲劳失效多源于孔、槽等局部不连续部位,其受力状态复杂,往往是应力和位移耦合下的失效。对于高温结构中广泛应用的多层分级板条马氏体钢,作者前期研究表明,与应变疲劳不同,在应力循环下材料从寿命初始就会出现加速的软化/损伤行为,而传统的疲劳分析往往利用单一的应变疲劳或应力疲劳数据进行评估,忽略了两者之间的差别,会导致过高估计疲劳寿命的问题。

        另一方面,应力循环中这种从寿命初始就出现的加速损伤/软化的行为,会导致结构的快速断裂及难以预测(由于没有稳态阶段),对设备的安全运行带来巨大的风险,是工程界中最不希望看到的现象。因此揭示应力疲劳的加速损伤机制并实现其科学描述至关重要。

        具有多层分级马氏体板条结构的9-12%Cr耐热钢由于具有优良的高温强度及加工性能,在核电等先进电站的关键部件中得到了广泛的应用。本研究针对宏观唯相模型无法反映物理机制的变化带来的预测偏差,考虑了多层分级板条结构的复杂组织特性,揭示了马氏体板条结构应力循环下加速软化的新机制,并基于物理机制构建了新的循环塑性模型来统一描述应变和应力循环变形行为。

        重要结果及意义:(1)揭示了纳米板条界面的间歇性崩塌(dislocation avalanche from lath boundary),伴随着自由位错的急剧增加和类应变爆发现象(strain burst),是应力循环加速软化/损伤行为的物理来源。(2)把通常发生在微纳尺度中的不连续应变爆发现象成功引入到了体材料的连续力学模型中,并利用位错湮灭和位错锁(lock)形成机制来复现应变和应变疲劳不同的物理过程,可统一描述应变和应力循环下的宏观变形响应、内应力及微结构演化。(3)该物理模型不需要引入损伤耦合因子就可以精确描述循环过程中的加速变形行为,并且模型的参数大都来源于初始组织及经典参量。

应变和应力循环中每个加载/卸载阶段的位错演化示意图:应变循环符合经典的加工硬化行为,而在应力循环中,会出现附加的类应变爆发现象(C区),产生新的自由位错增殖机制

应力循环宏观加速软化/损伤的模拟及验证

 

论文信息:Peng Zhao, Fu-Zhen Xuan, Cheng Wang, A physically-based model of cyclic responses for martensitic steels with the hierarchical lath structure under different loading modes, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 124 (2019) 555–576.

 

 
(图文供稿:华东理工大学赵鹏副教授;网络编辑:胡超杰,朱明亮)