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北京科技大学国重王沿东教授:金属疲劳断裂取得重要进展!

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在国家自然科学基金项目(项目编号:51527801、51471032、51231002)等资助下,北京科技大学新金属材料国家重点实验室王沿东教授团队与美国阿贡国家实验室LiuWenjun博士、佐治亚理工Zhu Ting教授等研究者合作,开展金属材料疲劳形变亚微米尺度应力分布原位研究,揭示了疲劳剪切带损伤的微观机制。研究成果以“Unraveling Submicron-scale mechanical heterogeneity by three-dimensional X-ray microdiffraction”(三维X射线微衍射技术揭示亚微米尺度形变与损伤不均匀性)为题,在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS)上发表。

论文链接

http://www.pnas.org/content/early/2017/12/27/1711994115.full

循环载荷作用下工程材料的疲劳行为是航空航天、高铁、核工业等领域服役安全设计的重要研究课题。

金属材料在应力载荷下的疲劳形变导致位错局域累积,造成材料损伤及微纳裂纹形核。对于具有平面滑移特征的合金,在疲劳过程中形成的驻留形变剪切带(Persistent Lüders Bands)为损伤破坏的基本单元,其形成与扩展决定材料的疲劳强度与寿命,而剪切带的三维介观位错模型及时空分辨的动态演化是形变与损伤领域研究的热点与难点。

尽管以前大量实验关注形变带的形成,但由于缺乏先进的材料表征手段,有关形变带内局域应力/应变集中、亚结构演化及微观形变损伤过程的解释一直众说纷纭并长期困扰着材料科学家。

最近,王沿东教授团队及合作者利用同步辐射X射线微束衍射原位分析技术,通过对疲劳剪切带位错结构引起的巨大应力梯度与微小取向梯度的精确表征,确定了亚微米尺度应力场的动态演化精细过程;揭示了几何必需位错对剪切带形成、剪切带交互作用及微观损伤的影响机理;以平面滑移金属低应变幅循环形变为例,澄清了交叉剪切带处应力集中引起疲劳寿命偏离经典Coffin-Manson定律的物理本质。

同时利用具有三维分辨的同步辐射原位表征手段,开展块体材料局部形变与损伤破坏研究,根据晶粒取向相关的疲劳损伤测量,提出剪切带交互作用的新位错模型。这一研究成果对金属材料的疲劳断裂行为和使用寿命的准确预测及高性能设计具有重要指导意义。

基于同步辐射微束技术的原位实验示意图

疲劳损伤晶粒及进一步拉伸(0.5%应变下)具有亚微米分辨率的弹性应变分布(上图)。疲劳剪切带交叉C1

疲劳损伤晶粒取向差分布;疲劳损伤晶粒衍射峰半高宽(表征局域弹性梯度)分布

交叉疲劳剪切带位错模型及局域损伤应力场模拟

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